Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

СПОСОБ УСКОРЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРЫ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Исламкулов К.М. 1 Смагулов Д.У. 1
1 Казахский национальный технический университет им. К. Сатпаева
1. А.С. Республика Казахстан №44253 Исламкулов К.М., Умбетов О.Ж., Суворов С.А. Способ обработки изделий из малоуглеродистых сталей. Предварительный патент Республики Казахстан. 2005. Бюл. №6.
2. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка стали. Машгиз, 1964,158 с.
3. Одинг И.А., Иванова В.С., Гордиенко Л.К. Доклады АН СССР, 1965, 160, 2, 321 с.
4. Гордиенко Л.К. Субструктурное упрочнение металлов и сплавов. – М.: Наука, 1973. – 48 с.
5. Методы исследования механических свойств. Справочник. – М.: Машиностроение, 1974, т. 2. – 24 с.

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
обработка

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.


Библиографическая ссылка

Исламкулов К.М., Смагулов Д.У. СПОСОБ УСКОРЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРЫ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 6. – С. 37-39;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5160 (дата обращения: 08.08.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074