Во многих отраслях промышленности (машиностроение, строительство, транспорт и т.д.) применяют малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %. Расход этих материалов составляет десятки миллионов тонн. Они не подвергаются упрочнению обычной термообработкой (закалка). Поэтому поиск новых способов упрочнения малоуглеродистых сталей, позволяющих повысить допускаемые напряжения в нагруженных деталях и существенно сократить расход сталей при одновременном повышении надежности и долговечности оборудований, машин и конструкций является актуальной проблемой.
Цель исследования: разработать способ ускоренного формирования ячеистой дислокационной структуры (наноструктуры), которая приводит к повышению прочностных свойств малоуглеродистых сталей.
Материал и медоты исследования. Материал: армко-железо, имитирующее свойства и поведение большого ассортимента малоуглеродистых сталей. Применимость нового способа была проведена на малоуглеродистых сталях: сталь 10 и сталь 20.
Методы исследования: микроанализ, метод внутреннего трения, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия.
Результаты исследования. Была разработана новая технологий упрочнения малоуглеродистых сталей на основе атомно-дислокационной теории [1]. С целью формирования наноструктуры (дислокации) и повышения концентрации твердого раствора феррита атомами внедрения выбрано кратковременное насыщение стали атомами азота. Это обуславливается следующими причинами:
1. В связи с высокой диффузионной подвижностью атомов азота, легко получить насыщенный твердый раствор феррита (основная структура малоуглеродистых сталей).
2. Близость атомных радиусов азота и углерода позволяет получать аддитивные эффекты блокировки дислокации (наноструктуры) по примесному механизму от обоих видов атомов. Это особенно важно для однородной стабилизации создаваемой наноструктуры, лежащие в основе получения высокопрочного состояния материала.
Процесс насыщения атомами азота (НА) малоуглеродистых сталей проводился по известной технологии [2]. С целью формирования дислокационной структуры (наноструктуры) после НА, образцы подвергались многократной механико-термической обработке (ММТО)[3]. ММТО заключается в последовательном деформировании образцов до окончания площадки текучести с промежуточным старением между циклами деформирования в дорекристаллизационном интервале температур.
Влияние процессов НА на упрочнение малоуглеродистых сталей при ММТО проявляется в виде следующих эффектов:
1. Изменяется вид кривых деформирования упрочняемых образцов, появляется зазубренность кривой на площадке текучести (эффект Портевена-Ле Шателье). У азотированных образцов этот эффект исчезает уже после первого цикла ММТО.
2. Наблюдается общая интенсификация эффекта упрочнения у предварительно азотированных образцов при ММТО.
3. Процесс НА обуславливает резкое повышение прочностных свойств исследуемых материалов уже на первом цикле ММТО по сравнению с образцами не подвергавшимся НА.
Для оценки изменения концентрации твердого раствора феррита в процессе формирования ячеистой наноструктуры и ее блокирование атомами азота, интенсивность накопления дислокаций по циклам ММТО и стабильность созданной наноструктуры были использованы методы внутреннего трения (ВТ) и электронной микроскопии.На кривых, соответствующих деформированному и затем состаренному состоянию, имеются два релаксационных максимума: первый соответствует пику Сноека (концентрация атомов внедрения в феррите), второй пику Кестера (пластическая деформация). Высота пика Сноека снижается по мере увеличения числа циклов ММТО в связи с уходом растворенных атомов на блокировку дислокаций при пластической деформации. Это наблюдается при температуре 120 °С. Высота пика Кестера повышается с увеличением числа циклов ММТО в связи с увеличением плотности дислокации. Это явление наблюдается при температуре 310-320 °С.
Приращение пика Кестера (∆К) с ростом числа циклов ММТО прямо пропорционально степени накопленной деформации:
∆К=А·ε,
где А=10–2 , коэффициент пропорциональности; ε – суммарная степень деформации при ММТО.
Для количественной оценки плотности дислокации при упрочнении по схеме насыщение азотом плюс многократная механико-термическая обработка (НА+ММТО) воспользуемся соотношением (4):
ρ=ρ0+β ∆K,
где ρ0 – плотность дислокации в отожженном образце; β – коэффициент пропорциональности (β = 1013 см-2); ∆K – приращение пика Кестера.
При обработке армко-железа по предлагаемой схеме «НА + ММТО» значения пика Кестера и плотности дислокации значительно выше по сравнению с известным способом упрочнения (ММТО).
Результаты расчетов хорошо совпадают с данными определения плотности дислокации методом трансмиссионной электронной микроскопии тонких фольг армко-железа.
У образцов предварительно насыщенных атомами азота, уже после первого цикла ММТО приводит к формированию дислокационной структуры, заметно отличающейся от структуры после обычной ММТО.
В этом случае выявляются дислокационные сплетения и даже наблюдается тенденция к образованию дислокационных ячеек. Эта фрагментация пока не замкнутая, и внутри самих ячеек еще довольно густая сетка дислокации. В случае образцов ненасыщенных атомами азота, такая структура формируется после второго цикла ММТО.
Характерно также, что у образцов после предварительного азотирования клубковые дислокации взаимодействуя с атомами азота образуют сегрегации. (Темный контраст на дислокационных сплетениях).
В случае обычной ММТО такие сегрегации менее заметны.
Общим является то, что в случае рассматриваемых способах упрочнения (ММТО,
НА + ММТО), эволюция дислокационной структуры начинается у границ зерен, образуя густую дислокационную сетку.
После второго цикла ММТО у обеих серий образцов наблюдается неполностью фрагментированная ячеистая наноструктура. Различия в морфологии ячеек становятся еще более сильно выраженными. Прежде всего ячейки, образовавшиеся в азотированных образцах, имеют заметно больший размер. Кроме того, стенки ячеек у образцов насыщенные азотом существенно толще и весьма насыщены атомами внедрения C,N.
Указанные тенденции в формировании ячеистой структуры у образцов насыщенных азотом полностью сохраняются и на более поздних стадиях упрочнения – после третьего и четвертого циклов ММТО.
Увеличивается тенденция создания сегрегации примесных атомов на дислокационных сплетениях. Темный контраст в местах скоплений дислокаций становится столь сильным, что уже напоминает контраст на выделение вторичной фазы (нитрида). Такие сегрегации примесных атомов в случае ММТО обычно не наблюдаются.
Таким образом, предварительное насыщение образцов атомами азота и последующая ММТО привели к количественному и качественному изменению параметров создаваемой ячеистой наноструктуры.
Обработка исследуемых материалов по схеме «НА + ММТО» приводит к созданию ячеистой наноструктуры, отличающейся от структуры полученной обычной ММТО большим размером ячеек и более широкими стенками (субграницы). Указанная структура формируется быстрее чем при ММТО, подвергается интенсивной блокировке по примесному механизму, что в конечном итоге приводит к повышению механических свойств малоуглеродистой стали, которые представлены в таблице.
Механические свойства Стали 10, подвергнутые различным способам упрочнения
|
Упрочняющая |
Число циклов ММТО |
Механические свойства в предельно упрочненном состоянии |
||
|
Предел прочности σв, МПа |
Предел текучести σт, МПа |
Относительное удлинение δ, % |
||
|
Исходное состояние |
- |
340 |
210 |
31 |
|
Известный способ ММТО |
1 2 3 4 |
370 400 420 435 |
280 350 405 420 |
23 19 17 15 |
|
Предлагаемый способ НА + ММТО |
1 2 3 4 |
450 510 550 580 |
360 450 530 570 |
21 19 17 16 |
Комбинированная обработка малоуглеродистых сталей по схеме «НА + ММТО» приводит к существенному увеличению микротвердости по всему сечению образца (Ø 5 мм) в среднем на 40 %, что должно благоприятно сказаться на износостойкости материала.
Было проведено сравнительное испытание на износостойкость образцов из Стали 10 после различных видов упрочняющих обработок (ММТО, НА + ММТО) на машине сухого трения МИ-1М при удельном давлении 80 МПа и при 300 об/мин трущегося диска из закаленной стали У8[5].
Величину износа определяли по потере веса образца через каждые 1000 м. пути трения, а интенсивность износа вычисляли по формуле:
Jq=q/AoL, г/м3,
где q – вес изношенного вещества; Ao – номинальная площадь касания; L – путь трения.
Полученные данные показывают, что предполагаемый способ упрочнения малоуглеродистой Стали 10 по схеме «НА + ММТО» в 2,5-3 раза уменьшает интенсивность износа по сравнению с известным способом упрочнения методом ММТО.
Выводы по работе:
1. Методами внутреннего трения и методами электронной микроскопии выявлено, что упрочняющая обработка по схеме «НА + ММТО» приводит к созданию ячеистой наноструктуры. Указанная структура формируется быстрее чем при обычной ММТО.
2. Разработана новая технология упрочнения малоуглеродистых сталей, заключающаяся в предварительном насыщении стали атомами азота (НА) с последующей многократной механико-термической обработкой (ММТО), НА + ММТО.
3. Данный способ обеспечивает 1,5-2 кратное повышение прочностных свойств с сохранением удовлетворительной пластичности по сравнению с ММТО.