Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 10, стр. 1083-1088

Влияние процессов самоотпуска и отпуска на механические характеристики и характер разрушения закаленной на воздухе низкоуглеродистой мартенситной стали

Р. А. Воробьев a*, В. Н. Дубинский a, В. В. Евстифеева b

a НГТУ им. Р.Е. Алексеева
603950 Нижний Новгород, ул. Минина, 24, Россия

b АО ЦНИИ “Буревестник”
603950 Нижний Новгород, Сормовское шоссе, 1а, Россия

* E-mail: linuxjuicy@gmail.com

Поступила в редакцию 20.02.2019
После доработки 12.03.2019
Принята к публикации 20.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрено влияние процессов самоотпуска и отпуска на механические характеристики и структуру низкоуглеродистой мартенситной стали после закалки на воздухе. Начавшиеся при охлаждении процессы распада мартенсита (самоотпуск) продолжаются в стали и при последующих отпусках при 200, 300, 400 и 500°С с образованием ферритокарбидной смеси разной степени дисперсности. При этом в интервале температур отпуска 200–400°С отмечается монотонное увеличение предела текучести на 11%, в результате отпуска при 500°С предел текучести снижается на 3%. Характер разрушения образцов изучался с помощью растровой электронной микроскопии, получено подтверждение явления отпускной хрупкости в исследованной стали при температурах 300 и 500°С, что находится в хорошем согласии с результатами механических испытаний.

Ключевые слова: термическая обработка, низкоуглеродистые мартенситные стали, механические испытания, микроструктура, фрактография изломов

ВВЕДЕНИЕ

В 80-е гг. прошлого века был создан новый класс конструкционных низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС), содержащих менее 0.2% С, реечная структура мартенсита в которых обеспечивает высокую подвижность дислокаций при их высокой плотности (1010–12 см–2). НМС обладают лучшим комплексом механических свойств и технологичностью относительно традиционных конструкционных сталей с прочностью 800–1400 МПа [13]. Они находят всё более широкое применение в общем и специальном машиностроении для изделий нефтедобывающей промышленности, грузоподъемных механизмов, строительной и специальной техники, работающих в тяжелых условиях, в сложнонапряженном состоянии при статических, динамических и циклических нагрузках, при низких (до минус 70°С) и повышенных (до 500°С) температурах. К технологическим преимуществам НМС относится возможность закалки изделий из этих сталей на воздухе.

В данной работе исследовалась сталь 07Х3ГНМЮА, которая относится к чисто мартенситному классу: закаливаясь на воздухе, в отличие от большинства других НМС, она не имеет в структуре бейнита. При этом высокое значение мартенситной точки Мн должно обеспечивать существенное развитие процессов самоотпуска при закалке.

Целью данной работы является исследование процессов структурообразования, протекающих при самоотпуске и отпуске (при разных температурах), и их влияния на механические характеристики и характер разрушения стали 07Х3ГНМЮА после упрочняющей термической обработки (ТО).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Формирование микроструктуры и ее влияние на комплекс механических свойств изучалось на образцах из стали 07Х3ГНМЮА после различных режимов термической обработки: закалка от 910°С на воздухе, отпуск Тотп = 200, 300, 400, 500°С в течение 3 ч, охлаждение так же, как и при закалке – на воздухе.

Химический состав стали определялся с помощью спектроанализатора Foundry Master фирмы OXFORD INSRUMENTS. Содержание основных химических элементов (в %) следующее: Fe = = 94.20, С = 0.064, Si = 0.271, Mn = 0.914, P = 0.003, S = 0.011, Cr = 2.98, Mo = 0.23, Ni = 1.00, Al = 0.021, Co = 0.021, Cu = 0.21, V = 0.009, W = 0.015.

Измерение твердости проводилось на твердомере Роквелла “Rockwell 574" (ГОСТ 9013–59).

Ударная вязкость образцов Менаже (размером 10 × 10 × 55 мм) с U-образным надрезом определялась на копре РН-300 фирмы Walter + Bai AG, с энергией удара 300 Дж (ГОСТ 9454-78).

Механические характеристики были измерены на испытательной машине “Inspekt 100 table”.

Фотографии микроструктур и изломов получены методом РЭМ на микроскопе VEGA 3 XMH производства компании TESCAN с катодом из гексаборида лантана (LaB6) с термоэмиссией. Изображения регистрировались детектором вторичных электронов при условиях съемки: ускоряющее напряжение 20 кВ, интенсивность пучка электронов 10–13 А, рабочее расстояние 6–22 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Диаграмма изотермического распада аустенита стали 07Х3ГНМЮА представлена на рис. 1. Высокая устойчивость аустенита стали 07Х3ГНМЮА в области перлитного превращения, отсутствие верхнего бейнита, высокая температура мартенситного превращения Мн (390°С), обеспечивающая самоотпуск в ходе охлаждения, способствуют формированию даже при замедленном охлаждении структуры отпущенного низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура и слабая зависимость вязкости от величины зерна гарантируют благоприятное сочетание характеристик прочности, пластичности и вязкости [4, 5]. Развитие самоотпуска приводит к образованию пакетного “бесструктурного” мартенсита, чередующегося с участками феррита (рис. 2а).

Рис. 1.

Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита стали 07Х3ГНМЮА.

Рис. 2.

Структура стали 07Х3ГНМЮА: после охлаждения на воздухе (а); после отпуска 200°С (б); после отпуска 300°С (в); после отпуска 400°С (г); после отпуска 500°С (д).

В исследуемом интервале температур отпуска (200–500°С) в стали 07Х3ГНМЮА после закалки на воздухе формируются структуры различного фазового состава, различающиеся типом и соотношением фаз, их дисперсностью, взаимным расположением, что приводит к различным сочетаниям стандартных механических характеристик стали, обычно определяемых в производственной практике. Механические характеристики стали 07Х3ГНМЮА после термической обработки представлены в табл. 1.

Таблица 1.  

Механические свойства стали 07Х3ГНМЮА

Режим ТО KCU, Дж/см2 σ0.2, МПа σв, МПа ψ, % δ, % HRC
Закалка 910°С на воздухе 129 747 1019 65.8 14.8 31
Закалка 910°С на воздухе, отпуск 200°С 141 782 1021 66.2 15.0 30
Закалка 910°С на воздухе, отпуск 300°С 133 822 1016 67.0 14.4 30
Закалка 910°С на воздухе, отпуск 400°С 142 829 995 65.9 15.6 30
Закалка 910°С на воздухе, отпуск 500°С 111 805 1001 65.8 16.0 26

В результате процессов самоотпуска при охлаждении стали 07Х3ГНМЮА на воздухе рейки мартенсита начинают фрагментироваться (см. рис. 2а), мартенсит становится “бесструктурным”. Наличие в структуре стали отпущенного мартенсита свидетельствует о том, что уже при охлаждении на воздухе в образовавшемся мартенсите начинает происходить: перераспределение атомов углерода в твердом растворе, перемещение их к дислокациям; распад мартенсита с образованием областей, обогащенных углеродом (сегрегаций), а затем и карбидных выделений [6, 7].

Начавшиеся процессы распада мартенсита при закалке на воздухе продолжаются при последующих отпусках при 200, 300, 400 и 500°С.

Снижение пересыщенности твердого раствора углеродом в интервале температур отпуска 200–400°С и происходящие процессы возврата первого рода (отдыха) приводят к частичной релаксации внутренних напряжений, чем, вероятно, обусловлено повышение ударной вязкости по сравнению с ее значением в закаленном состоянии. Однако после отпуска на когерентных межфазных границах возникают упругие микронапряжения по причине увеличения сопротивления движению дислокаций за счет их закрепления сегрегациями углерода [8], в результате твердость сохраняется на уровне 30 HRC, повышается предел текучести.

В микроструктуре стали 07Х3ГНМЮА при повышении температуры отпуска интенсифицируется фрагментация мартенсита, происходит распад твердого раствора и выделение карбидной фазы глобулярной формы, повторяющей ориентацию бывших реечных пакетов (рис. 2б–2г). Соответственно, при повышении температуры отпуска в интервале 200–400°С отмечается повышение сопротивления пластической деформации: происходит монотонное увеличение предела текучести σ0.2 закаленных на воздухе образцов примерно на 11% (от 747 до 829 МПа). При дальнейшем повышении температуры отпуска до 500°С предел текучести уменьшается на 3% (σ0.2 = 805 МПа). При этом предел прочности образцов σв во всем интервале температур отпуска 200–500°С снижается, но незначительно – от 1021 до 1001 МПа (рис. 3).

Рис. 3.

Зависимость прочностных характеристик закаленной на воздухе стали 07Х3ГНМЮА от температуры отпуска.

После отпуска при 500°С снижение предела текучести стали происходит за счет коагуляции карбидной фазы, уменьшения ее дисперсности. Реечная ориентировка карбидной фазы визуально не выявляется, структура состоит из высокодисперсной ферритокарбидной смеси (рис. 2д).

Характеристики пластичности стали 07Х3ГНМЮА в зависимости от температуры отпуска изменяются незначительно. Изменения относительного сужения ψ (от 65.8 до 67.0%) были в пределах погрешности измерения (погрешность измерения ε < 1%).

Относительное удлинение δ оказалось несколько более чувствительной к отпуску характеристикой (рис. 4): при отпуске стали на 200, 400 и 500°С относительное удлинение δ повышается с 14.8 до 15.0, 15.6 и 16.0%, соответственно (ε не превышает 1%). После отпуска при 300°С на графике наблюдается провал, относительное удлинение уменьшается до 14.4%, закономерное повышение пластичности с ростом температуры отпуска не соблюдается.

Рис. 4.

Пластические характеристики закаленной на воздухе стали 07Х3ГНМЮА в зависимости от температуры отпуска: относительное сужение ψ, % (а); относительное удлинение δ, % (б).

Аномальные провалы в результате отпуска при 300 и 500°С (отпускная хрупкость) наблюдаются при проведении испытаний на ударную вязкость образцов с U-образным концентратором (рис. 5). Изменения ударной вязкости при увеличении температуры отпуска связано с изменением характера разрушения образцов (рис. 6).

Рис. 5.

Зависимость ударной вязкости закаленной на воздухе стали 07Х3ГНМЮА от температуры отпуска.

Рис. 6.

Характер разрушения образцов из стали 07Х3ГНМЮА: после закалки (а); после отпуска 200°С (б); после отпуска 300°С (в); после отпуска 400°С (г); после отпуска 500°С (д).

После закалки на воздухе и самоотпуска излом представляет собой участки хрупкого разрушения сколом, чередующегося с участками ямочного вязкого разрушения (рис. 6а). Доля ямочного (вязкого) разрушения не превышает 10%. Четко различимые ручьистые узоры (типичные признаки разрушения сколом) представляют собой ступеньки между различными локальными фасетками скола одной и той же общей плоскости скола [9].

После отпуска при 200°С полностью исчезают признаки хрупкого разрушения в результате релаксации закалочных напряжений. На поверхности изломов наблюдаются ямки (ячейки) различных размеров и ямки-конусы (рис. 6б). Разрушение происходит по механизму слияния микропор. На дне ямок отчетливо видны частицы второй фазы: карбиды размером не более 1–2 мкм. Соответственно, значение вязкости разрушения увеличивается от 129 Дж/см2 у закаленной на воздухе стали до 141 Дж/см2 после отпуска при 200°С.

Примерно такой же уровень ударной вязкости сохраняется и после отпуска при 400°С (142.0 Дж/см2). В изломе доля ямок-конусов значительно возрастает (рис. 6г), доминирующим механизмом разрушения является образование и слияние микропор. На гладких участках ручьистый узор не наблюдается, и эти участки не должны идентифицироваться, как фасетки скола или квазискола. Скорее всего, это не что иное, как граница зерна или слияние мелких ячеек в одну большую ямку-конус. Излом характеризуется наличием большого количества частиц второй фазы (карбидов).

Резкому снижению ударной вязкости стали 07Х3ГНМЮА в результате отпуска при 300°С (133 Дж/см2) и 500°С (110 Дж/см2), связанному с явлением отпускной хрупкости, соответствует изменение вида излома. Ямочный, вязкий характер излома после отпуска при 200 и 400°С после отпуска при 300 и 500°С сменяется на смешанный с признаками интеркристаллитного. Данное разрушение классифицируется как скол (на рис. 6в, д четко различимы ручьистые узоры) и происходит по внутренним объемам мартенситных реек и по границам между ними вследствие образования при отпуске межреечных карбидов.

Необходимо отметить, что на изломе после отпуска при 300°С все же присутствует небольшое количество ямок и ямок-конусов, которые образовались в результате слияния микропор. Дисперсность ячеек выше, чем после отпуска при 200°С, что связано с тем, что очагами зарождения микропустот в основном служат обособившиеся дисперсные карбидные частицы. Излом после отпуска при 300°С носит смешанный характер, где доля хрупкой составляющей разрушения значительно превышает вязкую.

После отпуска при 500°С межзеренное разрушение идет путем катастрофического хрупкого расщепления границ раздела зерен за счет ослабления их карбидными частицами и сегрегациями неметаллических примесей, в основном фосфора [10]. Неоднородность сегрегаций на границах зерен приводит к смешанному механизму разрушения, в результате в межзеренном изломе наблюдаются участки ямочного рельефа. Предпочтительный путь разрушения по границам зерен не является непрерывным, и в изломе в небольшом количестве присутствуют участки разрушения сколом с ярко выраженным ручьистым строением.

Таким образом, представленные фотографии изломов позволяют показать четкую связь между характером разрушения и механическими характеристиками стали 07Х3ГНМЮА, которые зависят, в первую очередь, от структурного состояния стали, формирующегося при термической обработке, как на микро, так и на субмикроуровне.

Нелинейный характер зависимостей механических характеристик от температуры отпуска необходимо учитывать при разработке упрочняющих технологий для деталей машин и конструкций, изготовленных из данной стали.

ВЫВОДЫ

1. В процессе закалки на воздухе в стали 07Х3ГНМЮА развиваются процессы самоотпуска, образуется пакетный “бесструктурный” мартенсит, чередующийся с участками феррита. Начавшиеся процессы распада мартенсита при охлаждении на воздухе продолжаются в стали и при последующих отпусках при 200, 300, 400 и 500°С с образованием ферритокарбидной смеси разной степени дисперсности.

2. Характеристики пластичности стали 07Х3ГНМЮА в зависимости от температуры отпуска изменяются немонотонно. При температурах отпуска 300 и 500°С наблюдается аномальное уменьшение ударной вязкости (на 6 и 23% соответственно). Относительное удлинение δ после отпуска при 300°С снижается на 4%.

3. В интервале температур отпуска 200–400°С в стали отмечается повышение сопротивления пластической деформации – происходит монотонное увеличение предела текучести (на 11%). Дальнейшее повышение температуры отпуска до 500°С приводит к его снижению (на 3%).

4. Повышение температуры отпуска сопровождается изменением характера разрушения образцов. Если после закалки и самоотпуска излом представляет собой участки хрупкого разрушения сколом, чередующегося с участками ямочного вязкого разрушения, то после отпуска при 200 и 400°С разрушение уже происходит полностью по механизму слияния микропор.

5. После отпуска при 300 и 500°С ямочный, вязкий характер излома, наблюдающийся после отпуска при 200 и 400°С, сменяется на хрупкий интеркристаллитный, что связано с явлением отпускной хрупкости. Данные полученные с помощью растровой электронной микроскопии находятся в хорошем согласии с результатами механических испытаний.

6. Нелинейный характер зависимостей механических характеристик от температуры отпуска необходимо учитывать при разработке упрочняющих технологий для деталей машин и конструкций, изготовленных из данной стали с пределом текучести до σ0.2 = 830 МПа.

Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МК-6069.2018.8.

Список литературы

  1. Клейнер Л.М. Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса / Учеб. пособие. Пермь: Перм. Гос. Техн. Ун-т, 2008. 303 с.

  2. Клейнер Л.М. Новые конструкционные материалы: низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали / Приклад. металловедение. Учеб. пособие для студентов вузов. Пермь: Перм. Гос. Техн. Ун-т, 2004. 141 с.

  3. Новиков И.И. Металловедение. В 2 т-х. Т. 1. Основы металловедения; Т. 2. Термическая обработка. Сплавы. М.: МИСИС, 2014. 1020 с.

  4. Клейнер Л.М., Симонов Ю.Н. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей // МиТОМ. 1999. № 8. С. 46–48.

  5. Клейнер Л.М., Симонов Ю.Н., Ермолаев А.С., Закирова М.Г. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаленных из межкритического интервала температур // Конструкции из композиционных материалов. 2006. Вып. 4. С. 172–177.

  6. Гуляев А.П. Металловедение. 7-е изд. М.: Металлургия, 2015. 544 с.

  7. Белоус М.В., Черепнин В.Т., Васильев М.В. Превращения при отпуске стали. М.: Металлургия, 1973. 232 с.

  8. Воробьев Р.А., Дубинский В.Н., Евстифеева В.В. Оценка трещиностойкости среднеуглеродистой хромникельмодибденовой стали на основе комплексного исследования изломов, микроструктуры и физико-механических свойств // ФММ. 2017. Т. 118. № 10. С. 1065–1071.

  9. Феллоуз Дж. Фактография и атлас фрактограмм / Справочник. Пер. с англ. Шур Е.А. М.: Металлургия, 1982. 489 с.

  10. Утевский Л.М., Гликман Е.Э., Карк Г.С. Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа. М.: Металлургия, 1987. 222 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.