Технические науки/1. Металлургия

Канаев А.Т., Решеткина Е.Н., Байбосынова Л.А.

Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева, Казахстан

Исследование структуры горячедеформированного аустенита углеродистой стали марки Ст.5сп.

Важнейшим фактором, определяющим конечную структуру и свойства сталей, подвергнутых совмещенной деформационно-термической обработке, является структура горячедеформированного аустенита. Поэтому научную и практическую значимость имеет исследование структурообразования в момент завершения горячей деформации стали и влияние характера изменения аустенитных зерен на конечную структуру и свойства сталей.

Анализ литературных данных показывает, что большинство исследований по проблеме совмещенной деформационно-термической обработки проведено при деформации растяжением, кручением и сжатием, т.е. по схемам, отличающимся от возникающих в металле в практически важных условиях деформирования, например, при прокатке [1, 2]. Мало внимания уделяется выявлению влияния на тонкую структуру такого практически важного параметра обработки, каким является последеформационная пауза (ПДП).

В настоящей работе представлены результаты исследований методами оптической и электронной микроскопии структуры горячедеформированного аустенита углеродистой стали марки Ст.5сп, а также эволюции этой структуры в ходе последеформационных выдержек при температурах деформации.

Исследовали влияние температуры прокатки ( 860, 980 и 1100⁰ С ) и ПДП от 5 до 30 с на характер изменения аустенитных зерен.

Аустенитные зерна, формирующиеся при температуре деформации 860⁰ С характеризуются относительно мелкими размерами; при всех фиксированных значениях ПДП, их размеры колеблются в пределах d_ср = 15-20 мкм, что свидетельствует о том, что при данной температуре прокатки изменение ПДП в пределах 5-20 с не приводит к существенному изменению формы и размеров аустенитных зерен, хотя из микроструктур видно, что аустенитные зерна непосредственно после деформации ( Δτ = 5 c) характеризуется более четкими границами, нежели зерна, формирующиеся при паузах Δτ = 10 c Δτ = 15 c, Δτ = 20 c.

Повышение температуры деформации до 980⁰ С приводит к образованию более крупных аустенитных зерен по сравнению с зернами, формирующимися при температуре деформации 860⁰ С. При этом средний размер зерен в зависимости от величины ПДП составляет d_ср = 25- 28 мкм, колебание длительности ПДП от Δτ = 5 до Δτ = 15 с не приводит к заметному изменению формы и размеров аустенитных зерен. Характерной особенностью границ аустенитных зерен при этой температуре является то,что эти границы менее четкие и более расплывчатые (рыхлые), чем зерна образовавшиеся при температуре деформации 860⁰С.

Более серьезные изменения характерны для аустенитных зерен, формировавщихся при температуре деформации 1100⁰ С. Так, при этой температуре и ПДП Δτ = 5 c зафиксированы аустенитные зерна со средним размером d_ср = 32 мкм. Кроме того, форма самих зерен менее округлые, имеются более вытянутые деформированные аустенитные зерна с острыми углами. Наблюдаются отдельные мелкие округлые зерна на стыке более грубых деформированных зерен, что, вероятно, что свидетельствует о прохождении динамической рекристаллизации в отдельных объемах деформируемого металла после завершения деформации. Увеличение ПДП до 10 с при температуре деформации 1100⁰ С приводит к укрупнению аустенитных зерен до d_ср = 35 мкм с одновременным изменением формы зерна в сторону более совершенных и равноосных форм границ. Дальнейшее увеличение ПДП до Δτ = 15 с приводит к заметному увеличению размеров аустенитных зерен до d_ср=50 мкм, что свидетельствует о росте деформированных зерен на стадии собирательной рекристаллизации. При величине ПДП Δτ = 30 c и температуре деформации 1100⁰ С границы бывших деформированных аустенитных зерен полностью трансформируются в совершенно новые статически рекристаллизованные зерна с резким изменением как размеров, так и форм зерен. При этом наблюдаются множество мелких вытянутых зерен со средним размером d_ср = 10 мкм и отдельные островки аномально крупных зерен размерами до d_ср = 150 мкм и более, что, вероятно, связано с прохождением процесса вторичной рекристаллизации [3]. Для этого случая характерна резко выраженная разнозернистость аустенитных зерен, оценку которой проводили по данным статистического анализа зерен аустенита при исследованных температурах и временных интервалах обработки, для чего на фотографиях подсчитывали число зерен данного размера в процентах по отношению к общему числу аустенитных зерен и строили кривые распределения зерен по размерам. Диаметры зерен определяли как среднеарифметическую сумму наименьшего и наибольшего размеров линейным методом, который обладает простотой, объективностью и малой трудоемкостью.

Рис.1. Кривые распределения зерен по размерам

N_i % = f (D_i)

Кривые распределения аустенитных зерен по размерам для образцов, деформированных при температуре 1100⁰ С и ПДП Δτ = 5 c Δτ = 10c (рис.1) не имеют характера нормального распределения, хотя структура зерна аустенита почти однородная; кривые характеризуются значительной асимметричностью и вытянуты со стороны зерен крупных размеров.

Значения средних размеров Dср и размера наиболее часто встречающихся зерен Dв не совпадают. Степень асимметричности этих кривых оцениваются отношением Dмах / Dв, что составляет порядок величин 3-4.Это свидетельствует о том, что рассмотренные режимы деформационно-термической обработки вызывают незначительную разнозернистость. Существенное отличие в характере распределения аустенитных зерен по размерам имеет режим с ПДП Δτ = 30 c . Здесь присутствует два интервала размеров зерен, резко отличающихся по размерам. Это наглядно видно из рис. 2 где представлены кривые распределения площади, занимаемой на шлифе зернами данного размера, в функции S_i = f (D). Для режимов с паузами соответственно Δτ = 10 c и Δτ = 15 с характерны кривые, где четко видны одинарные максимумы, хотя для паузы Δτ = 15 с на кривой √̅S_i = f (D) можно заметить незначительный максимум при D₁ = 75 мкм, но с небольшим интервалом от основного максимума, имеющегося при D₁ = 45 мкм (рис.2). При ПДП Δτ = 30 c имеется кривая с четко выраженными двумя максимумами при D₁ = 15 мкм и D₂ = 150 мкм; они разделены при этом значительным интервалом D₂/D₁=10, что свидетельствует о существенной разнозернистости полученной аустенитной структуры. Такая разнозернистость приводит к значительному ухудшению механических свойств в готовом прокате, что подтверждается результатами механических свойств, где показано заметное уменьшение как прочностных, так и пластических свойств.

На рис.3 представлена ячеистая структура деформированного на 50% аустенита. В светлых субзернах плотность дислокаций невелика, границы субзерен кажутся темными из-за высоукой плотности дислокации в них [3].

Рис. 2. Кривые распределения Рис. 3. Ячеистая структура

площади аустенитных зерен по аустенита, х 20 000

размерам, √S_i = f (D)

Исследование конечных механических свойств образцов после прерванной закалки и самоотпуска, имеющих разные режимы ПДП ( 5с., 10с.,15с.,20с.,30с.) и температуры горячей деформации (860, 980, 1100 ⁰ С_) показывают, что пределы текучести σ_т изменяются от 570 МПа (при температуре деформации 1100 ⁰ С и ПДП 30 с) до 1010 МПа ( при режиме 1100 ⁰ С и ПДП 10 с), временное сопротивление σ_в от 770 МПа (1100 ⁰ С и ПДП 30 с) до 1203 МПа ( 860 ⁰С и ПДП 5 с).

Относительное удлинение δ изменяется в диапазоне от 0.75% (980 ⁰ С и ПДП 5 с) до 11,7 % ( 980 ⁰С и ПДП 10 с), а относительное сужение ψ в диапазоне от 32,9% ( 860 ⁰ С ПДП 5 сек.) до 73,8% (при 980 ⁰ С и ПДП 10 с)

Выводы

1. Установлено влияние основных температурно-временных параметров совмещенной деформационно-термической обработки на особенности формирования аустенитных зерен в момент завершения горячей деформации и конечной структуры после полного охлаждения.

2. Показано, что наиболее благоприятное сочетание комплекса механических свойств достигается при температурах конца прокатки 860 С, 980 С и 1100 С и ПДП соответственно 5 с, 10-15 с и 10 15 с.

3. На основании полученных экспериментальных данных высказано предположение, что при последовательной деформации стали длительность ПДП нужно подбирать так, чтобы конец паузы, т.е. начало деформации при очередном проходе соответствовало завершению первичной рекристаллизации после предшествовавшего прохода. Такой режим может обеспечить последовательное измельчение зерна от прохода к проходу и улучшить конечные механические свойства стали.

Литература

1. Фистуль В.И. Новые материалы; сосояние, проблемы, перспективы, Москва,, МИСиС, 1995 141с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Капуткина Л.М. Термомеханическая обработка стали. Москва, Металлургия, 1993, 479с.

3. Канаев А.Т. Физические и технологические основы термомеханического упрочнения низкоуглеродистой стали. Алматы, Гылым, 1993. 235с.