Содержание к диссертации
Введение
1. Структура и свойства цементита в углеродистых сталях 8
1.1. Особенности кристаллического строения цементита 8
1.2. Морфология цементита в железоуглеродистых сплавах 13
1.3. Физические и механические свойства цементита 27
1.4. Технологические возможности управления структурой цементита в железоуглеродистых сплавах. 30
1.4.1. Сфероидизирующий отжиг 30
1.4.2. Отпуск мартенсита 32
1.4.3. Подкритический отжиг стали 34
1.4.4. Холодная деформация пластинчатого перлита с последующим отжигом 35
1.5. Выводы 36
1.6. Цели и задачи исследования 37
2. Методики исследования структуры и свойств сталей 38
2.1. Материалы для исследования 38
2.2. Структурные исследования 39
2.2.1. Оптическая микроскопия 39
2.2.2. Просвечивающая и растровая электронная микроскопия 40
2.2.3. Рентгеноструктурные исследования 41
2.3. Режимы термической и химико-термической обработки 42
2.4. Определение прочностных свойств материалов 43
2.5. Испытания материалов на ударную вязкость 44
2.6. Методики определения трещиностойкости 44
2.6.1. Усталостная трещиностойкость материалов 45
2.6.2. Статическая трещиностойкость стали 48
2.6.3. Ударно-усталостная трещиностойкость стали 50
2.7. Методы определения износостойкости 52
2.7.1. Определение износостойкости материалов при трении о нежестко закрепленные частицы абразива 54
2.7.2. Определение износостойкости материалов при трении о закрепленные частицы абразива 56
2.8. Взрывное нагружение цилиндрических образцов 57
2.9. Методы высокоэнергетического воздействия на стали 60
2.9.1. Вневакуумная электронно-лучевая обработка 60
2.9.2. Лазерная обработка стали 62
3. Особенности строения и образования избыточного цементита видманштеттова типа в сталях заэвтектоидного состава 64
3.1. Исследование атомно-кристаллической структуры цементита 65
3.2. Определение формы кристаллов избыточного цементита видманштеттова типа в заэвтектоидных сталях 69
3.3. Особенности выделения кристаллов цементита видманштеттова типа 72
3.4. Механизм образования избыточного цементита видманштеттова типа 79
3.5. Влияние температуры нагрева стали и скорости ее охлаждения на особенности образования избыточного цементита 85
3.6. Особенности строения кристаллов избыточного цементита видманштеттова типа 93
3.7. Дефектное строение пластин видманштеттова цементита 100
3.8. Влияние горячей пластической деформации на морфологию избыточного цементита в заэвтектоидных сталях 102
3.9. Влияние холодной пластической деформации на устойчивость пластин избыточного цементита видманштеттова типа 108
3.10. Лазерная и электронно-лучевая обработка заэвтектоидных сталей 114
3.11. Выводы 124
4. Влияние морфологии избыточного цементита на конструктивную прочность и разрушение заэвтектоидных сталей 127
4.1. Прочностные свойства высокоуглеродистых сталей со структурой избыточного цементита 128
4.2. Статическая трещиностойкость сталей 132
4.3. Усталостная трещиностойкость сталей, содержащих избыточный цементит различной морфологии 141
4.4. Ударно-усталостная трещиностойкость заэвтектоидных сталей ... 149
4.5. Поведение заэвтектоидных сталей со структурой избыточного цементита в форме пластин и сетки в условиях динамического нагружения 151
4.6. Влияние морфологии цементита на износостойкость высокоуглеродистых сталей І56
4.7. Выводы 162
5. Рекомендации по управлению структурой избыточного цементита с целью повышения конструктивной прочности заэвтектоидных сталей 165
5.1. Применение заэвтектоидных сталей со структурой избыточного цементита 165
5.2. Выявление причины разрушения сетки неподвижных ножей электробритвы 168
5.3. Выявление причин брака при изготовлении стального сердечника бронебойной пули 172
5.4. Применение результатов исследований в учебном процессе 173
Основные результаты и выводы 174
Список литературы 176
Приложения 186
- Подкритический отжиг стали
- Определение прочностных свойств материалов
- Особенности выделения кристаллов цементита видманштеттова типа
- Ударно-усталостная трещиностойкость заэвтектоидных сталей
Введение к работе
Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию структуры сталей, содержащих цементитную фазу, следует отметить отсутствие единого общепринятого мнения о природе цементита, механизмах его образования и тонком строении. Экспериментальные данные о структуре цементита противоречивы. Они не дают убедительного объяснения дислокационной структуры цементита, особенностей изменения этой структуры в процессе холодной пластической деформации. Следует признать, что уровень современных представлений о структуре цементита явно не соответствует роли этой фазы в процессах пластической деформации и разрушения сталей с гетерогенной структурой.
Присутствие частиц второй фазы в исходном материале или их выделение при термической обработке может существенно повлиять на характер распространения трещины и разрушения при механических испытаниях. К основным факторам, определяющим влияние второй фазы на процесс разрушения металла, относятся природа, количество, форма и распределение частиц. Включения частиц второй фазы в сочетании со структурным состоянием металла приводят либо к явлению охрупчивания, либо к реализации вязкого разрушения путем зарождения и слияния микропустот.
Формирование свойств железоуглеродистых сплавов при термической обработке во многом определяется особенностями процессов растворения и выделения карбидов, которые в свою очередь зависят от термической стабильности карбидов.
Цементит является важнейшей структурной составляющей большинства применяемых железоуглеродистых сплавов. В зависимости от температуры его образования, различают первичный, вторичный и третичный цементит. В любом случае, это химическое соединение — карбид железа БезС. Его морфология и размеры существенно влияют на прочностные свойства и склонность сплавов к пластической деформации. К настоящему времени достаточно
7 подробно изучены и проанализированы особенности деформации и разрушения цементита в наиболее распространенных доэвтектоидных сталях [1, 2]. Методами трансмиссионной электронной микроскопии показано, что пластинчатый цементит способен деформироваться без разрушения, утоняясь при этом на десятки процентов. Известно, что избыточный цементит заэвтек-тоидных сталей, образующийся в виде карбидной сетки по границам аусте-нитных зерен, является хрупкой фазой и поэтому на практике обычно стараются избегать образования цементита такой морфологии [3]. В то же время не изучено поведение сталей заэвтектоидного состава с пластинчатыми кристаллами избыточного цементита. Поэтому одной из основных целей данной работы является исследование структурных особенностей деформации и разрушения карбидов такой морфологии.
Известно, что сфероидизация карбидов, то есть получение структуры стали с глобулярными карбидами, приводит к улучшению обрабатываемости стали, а во многих случаях и к повышению конструктивной прочности сталей. Поэтому сфероидизация карбидов для многих сталей является необходимой технологической операцией. На практике существует большое количество способов сфероидизации карбидов [4]. Одной из задач настоящей работы является выяснение условий образования наиболее оптимальной с позиции повышения конструктивной прочности морфологии избыточного цементита в углеродистых сталях.
В настоящее время до конца не изучен вопрос образования цементита в сталях. На практике реализуются два варианта образования цементита в сталях: выделение карбидов из пересыщенного углеродом а-твердого раствора при отпуске закаленной стали и выделение цементита из аустенита в процессе эвтектоидного превращения [5,6]. Естественно, что образование цементита зависит от множества факторов (температуры термической обработки, химического состава стали и др.). Одной из задач данной работы являлось объяснение влияния размера аустенитного зерна на структуру образующегося цементита.
Подкритический отжиг стали
Одним из способов получения глобулярного цементита является отжиг стали со структурой пластинчатого перлита при температурах ниже критической точки Асі (650...700 С). Иногда его называют подкритическим сферои-дизирующим отжигом [4]. Основные особенности процесса преобразования пластинчатых карбидов в глобулярные проявляются в следующем. Сфероидизация цементита происходит в два этапа. Один из них заключается в делении длинных пластин на части (подпластины), второй — в преобразовании подпластин в глобули. Оба процесса протекают одновременно. По мере развития стадии сфероидизации в силу вступает процесс коагуляции карбидов. На разных стадиях процесса сфероидизации пластины цементита выглядят как нитки бус, гантели и далее в виде отдельных глобулей.
Все перечисленные процессы преобразования структуры стали связаны с диффузией атомов углерода и железа. Поэтому факторы, ускоряющие диффузию (температура нагрева, дефекты кристаллической решетки, границы и субграницы, растягивающие напряжения, пластическая деформация) и способствующие переводу сплава в неравновесное состояние (закалка, собствующие переводу сплава в неравновесное состояние (закалка, холодная деформация), ускоряют сфероидизацию цементита.
Огромным резервом ускорения процессов сфероидизации цементита при отжиге сталей является предварительная холодная пластическая деформация. Применение такой обработки рационально при производстве проката и проволоки из доэвтектоидных сталей, которые в состоянии поставки должны иметь структуру сфероидизированного перлита [4]. Во время отжига холод-нодеформированной стали при подкритических температурах ускоряются процессы сфероидизации и укрупнения карбидов. При этом сфероидизация развивается при более низких температурах, завершается значительно быстрее, приводит к получению более крупных глобулей, чем при отжиге горяче-катанной или нормализованной стали. С увеличением степени холодной пластической деформации ее эффективность возрастает.
На эволюцию карбидной фазы при нагреве деформируемой стали влияет дисперсность исходной структуры перлита. Коагуляция цементита в деформированном тонкопластинчатом перлите начинается при более низкой температуре, чем в грубопластинчатом. Формирование структуры глобулярного перлита по схеме, предусматривающей холодную пластическую деформацию стали со структурой пластинчатого перлита и последующий нагрев до подкритических температур, является весьма эффективным процессом сфероидизации. По сравнению с традиционным отжигом на зернистый перлит скорость этого процесса в несколько раз выше. 1.5. Выводы
На основании литературного обзора можно сделать следующие выводы:
1. В настойящее время не существует единого мнения о структуре цементита. Большинство авторов полагают, что цементит является химическим соединением. Наряду с этим имеются данные, ставящие под сомнение однозначность такого вывода и допускающие возможность описания цементита в виде твердого раствора.
2. Цементит в сталях преимущественно встречается в виде пластин. Существуют и другие формы цементита: глобулярная, волокнистая, ленточная, перистая. Морфология цементита зависит от параметров термической, термомеханической, термоциклической обработки.
3. Предполагается, что видманштеттов цементит по аналогии с видман-штеттовым ферритом характеризуется наличием ориентационных связей с аустенитом и образуется по механизму, основанному на диффузионном перераспределении углерода.
4. Традиционно считается, что цементит обладает высокой твердостью и прочностью, в то же время низкой пластичностью. Слоистое строение пластин цементита свидетельствует о его возможности пластически деформироваться.
5. В настоящее время на практике существует множество способов управления структурой цементита. К ним относятся: сфероидизирующий от жиг, закалка с отпуском, подкритический отжиг, термоциклическая обработ ка, холодная деформация с последующим отжигом и многие другие. Исходя из конкретных возможностей производства, можно подобрать наиболее ра циональный способ обработки сталей
Определение прочностных свойств материалов
Испытания на одноосное растяжение — наиболее распространенный вид исследований для оценки механических свойств металлических материалов. Испытания этого типа позволяют определять несколько важных механических характеристик материалов. Прочностные испытания проводили в соответствие с ГОСТ 1497-73 [50] на машине растяжения 2167Р-50 и универсальном испытательном комплексе. По результатам механических испытаний в работе определяли следующие свойства материала: - условный предел текучести (ст0,г); - временное сопротивление (ств); - относительное удлинение после разрыва (5); - относительное сужение после разрыва (ц/). Все вышеописанные характеристики прочности и пластичности материалов являются структурночувствительными. Изучение склонности сталей к разрушению при ударном изгибе образцов с надрезами проводилось в соответствие с ГОСТ 9454-78 [51] на маятниковом копре КМ-5Т. Надрезы на образцах имели U-образную форму. Для проведения испытаний использовали образцы в виде призматических брусков с размерами 55x8x2 мм. Надрезы глубиной 2 мм выполняли отрезным кругом. Радиус закругления надреза составлял 0,5 мм.
Ударная вязкость (KCU) определялась как отношение работы (А), затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения (S) в месте надреза: KCU = -. (2.1) В соответствие с современными представлениями оценка качества металла только по показателям прочности и пластичности не является достаточной для определения надежности материала при его использовании на практике. Для надежной работы изделий необходимо чтобы материал, из которого они изготовлены, обладал высоким сопротивлением зарождению и распространению трещин. В настоящее время определение характеристик трещиностойкости осуществляется различными методами. Наиболее широкое распространение получили испытания в условиях статического нагруже-ния и испытания при циклическом изменении нагрузки [52-54]. 2.6.1. Усталостная трещиностойкость материалов
Длительное время усталостные свойства материалов оценивались в основном при использовании метода, основанного на построении кривых Веле-ра. Основной характеристикой, получаемой при этих испытаниях, является предел усталостной выносливости. Недостатком указанного метода является большая длительность проведения испытаний. Значительно удобнее результаты усталостных испытаний представлять в виде зависимости скорости роста трещины от размаха (АК) или максимального значения (Ктах) коэффициента интенсивности напряжений. Такой график называют кинетической диаграммой усталостного разрушения (КДУР).
В настоящей работе усталостные испытания проводились на установке, реализующей схему мягкого нагружения образцов, т.е. при постоянной амплитуде нагрузки (рис. 2.1). Кинематическая схема установки показана на рис. 2.2. Принцип ее действия заключается в следующем. Вращательное движение от электродвигателя 1 через гибкую муфту 2 передается на ведомый вал 8, который установлен в сферических подшипниках. На валу закреплена неуравновешенная масса 9, расстояние от центра которой до оси вала регулируется при помощи передачи винт-гайка. К свободному подшипнику жестко прикреплен шток 5, который под действием неуравновешенной массы нагружает образец 6. Пружина 3, усилие сжатия которой регулируется гайкой 4, предназначена для компенсации обратного усилия, создаваемого неуравновешенной массой. В результате этого реализуется знакопеременный цикл нагружения. Амплитуда нагрузки регулируется путем изменения расстояния неуравновешенной массы от оси вала 8 и силой сжатия пружины 3.
Форма и размеры исследуемых образцов показаны на рис. 2.3. На боковой поверхности образца электроискровым способом нанесен надрез глубиной 1 мм и шириной 0,15 мм, который выполняет функцию концентратора
Особенности выделения кристаллов цементита видманштеттова типа
Характерное расположение цементитных пластин в пределах бывшего аустенитного зерна в виде правильных геометрических фигур («ферм», сеток, параллельных пластин) явно свидетельствует о наличии порядка в карбидной системе. Говоря об упорядоченном выделении пластинчатых кристаллов избыточного цементита, следует поставить вопрос о типах ориентационных соотношений между ним и материнской фазой, т.е. аустенитом. Учитывая, что выделения видманштеттова цементита имеют форму пластин, в первую очередь следует определить тип преобладающих ориентировок плоскостей габитуса кристаллов цементита по отношению к исходному аустениту.
Ответ на этот вопрос позволяет понять природу выделений вторичного цементита пластинчатой формы, разработать технологические предложения по управлению структурой видманштеттова цементита. При решении задачи подобного рода важным является выбор методики определения ориентационных соотношений. Литературные данные по этому вопросу противоречии вы. Согласно данным Э.Р. Кутелии между аустенитом и цементитом реализуются ориентационные соотношения следующего типа [72]: [100]ц [211]т; [010]ц [121]у; [001]ц [114]г А по данным М. Арбузова [68] кристаллы цементита закономерно ориентированы по отношению к кристаллографическим осям решетки исходного ау-стенита следующим образом: [100]ц [455]у; [010]ц [0H]Y; [001]ц [522]у. Для определения ориентационных соотношений между кристаллами пластинчатой формы и матрицей могут быть использованы два метода [73]. Один из них основан на использовании просвечивающей электронной микроскопии и режима микродифракции. Второй метод - металлографический связан с определением двугранного угла между пластинами в одном зерне. Измерения следует производить на двух перпендикулярных или параллельных шлифах. Реализация отмеченных методов возможна при соблюдении определенных условий.
Первый метод может быть использован в том случае, если исходная матрица сохранилась непревращенной в количестве, достаточном для проведения микродифракционных исследований. Для использования второго метода необходимо присутствие очень крупных кристаллов.
При выполнении настоящей работы был использован метод идентификации плоскостей габитуса кристаллов, предложенный М.А. Штремелем с соавторами [73, 74]. Этот метод, основанный на проведении статистических исследований углов между кристаллами, может быть использован при изучении мартенсита и выделений видманштеттова типа. В качестве объектов при реализации этого метода используются металлографические шлифы.
Практически предложенный метод (метод статистической металлографии) основан на измерении углов между кристаллами цементита, видимых в плоскости шлифа. От ориентировки выделившихся кристаллов относительно матрицы зависит величина удельной поверхностной энергии на границе мат 76 рица - выделяющаяся фаза, а значит, вероятность образования зародышей новой фазы. Соотношения между размерами главных осей выделяющихся частиц относительно матрицы определяются выполнением условия минимума упругой энергии [70, 73].
В качестве исходных данных для определения положения плоскостей габитуса кристаллов видманштеттова цементита использовали углы vj/ между следами цементитных пластин на плоскости шлифа. За поверхности габитуса принимали средние сечения цементитных пластин. При выполнении данной работы углы \/ определяли как углы между всеми видимыми направлениями цементитных кристаллов в данном зерне независимо от их соседства. В соответствии с рекомендациями, предложенными в работе [73], измеряли углы -90 а + 90 между каждым направлением и некоторой прямой, а по ним вычисляли все возможные острые углы между направлениями кристаллов внутри зерна.
При использовании метода статистической металлографии определение типа габитуса осуществляется путем анализа формы гистограммы распределения углов V/ между кристаллами цементита. Построенная по результатам измерения углов vj/ гистограмма характеризует не объем, занятый кристаллами разных габитусов, а число разных габитусов (рис. 3.6) [73, 74]. Это обусловлено тем, что при построении экспериментальной гистограммы все параллельные кристаллы в пределах одного зерна учитываются как один. В этой связи следует учитывать факторы, способные каким-либо образом исказить форму гистограммы. Распределения p(vj/) могут отклоняться от теоретических из-за погрешности измерения углов, рассеяния ориентировок кристаллов, обусловленного пластической деформацией и автокаталитическим образованием «ферм» кристаллов. Дефекты формы и особенности выделения одинаково ориентированных кристаллов также приводят к искажению формы гистограммы. Так, например, плотное выделение коротких пластин це ментита, расположенных в виде ступенек малой высоты при использовании малых увеличений является причиной появления ошибки измерения.
Использование метода систематического смещения углов, хотя и препятствует полному количественному сопоставлению экспериментальных гистограмм с теоретическими, тем не менее не мешает количественному определению типов габитуса и оценке пропорций между ними. М.А. Штремель с соавторами отмечают [74], что при наличии систематических отклонений от теоретической формы гистограммы количественное сопоставление измеренных и ожидаемых распределений р(\/) малоэффективно. Принадлежность к какому-либо типу габитуса лучше определяет зрительное распознавание гистограмм.
При анализе преобладающих ориентировок габитуса цементитных кристаллов учитывали реальное число ориентировок пластин, наблюдаемых на плоскости шлифа. При выделении цементитных кристаллов в аустените по плоскостям {111}у полное число возможных ориентировок (направлений цементитных пластин) Smax должно составлять 4. Для {557}у и {225}у Smax = 12, для{259}у8тах = 24.
По результатам исследования видманштеттова феррита сделаны выводы о том, что плоскость габитуса кристаллов феррита ориентирована параллельно плоскости {111 }у. В заэвтектоидной стали число ориентировок кристаллов избыточного цементита ниже или равное четырем наблюдаются только в относительно малых по размеру и равноосных зернах. Таким образом, только для этих зерен можно говорить о возможности параллельности плоскости габитуса цементита плоскостям {111} аустенита.
Среднее число направлений цементитных кристаллов в пределах аусте-нитного зерна составляет от четырех до семи. Это свидетельствует о том, что либо плоскости габитуса цементита не параллельны {111 }у, либо кроме кристаллов с габитусом такого типа присутствуют кристаллы с другим типом габитуса
Ударно-усталостная трещиностойкость заэвтектоидных сталей
Среди множества схем нагружения стальных изделий особое место занимают схемы, основанные на динамическом воздействии. Такие условия эксплуатации типичны для многих реальных деталей машин и элементов конструкций.
Поэтому информация о поведении материалов в условиях динамического нагружения представляет практический интерес. В данной работе была использована схема ударно-усталостного нагружения плоских стальных образцов с двумя симметрично расположенными надрезами. Ударные воздействия осуществляли с частотой 500 ударов в минуту. Удары наносили по торцу образцов. Фиксировали количество циклов до их разрушения. В качестве объектов исследования использовали углеродистую сталь заэвтектоид-ного состава (1,63 % С) с тремя типами строения кристаллов вторичного цементита. Грубопластинчатый цементит получали путем нагрева стали до 1100 Си охлаждения вместе с печью. Для получения карбидной сетки осуществляли нагрев до 950 С. Структуру глобулярного цементита получали путем многократной ковки стали в диапазоне температур 900.. .1100 С. Как и ожидалось, наименьшей живучестью из трех исследуемых материалов обладает сталь с цементитом видманштеттова типа (19500 циклов на-гружения). Наибольший уровень трещиностойкости зафиксирован при испытании стали с кристаллами цементита глобулярной формы (65000 циклов на-гружения). Следует однако заметить, что при ковке происходит изменение не только во вторичном цементите, но также изменяется и цементит эвтектоида. Около 50 % цементита приобретает глобулярную форму. Эти изменения также благоприятно отражаются на поведении стали в условиях ударно-циклического нагружения. Сталь с цементитными выделениями в форме карбидной зернограничной сетки занимает промежуточное положение между двумя отмеченными выше вариантами. Результаты испытаний отражены на рисунке в виде гистограммы (рис. 4.14).
Объектами исследования служили стали заэвтектоидного состава с выделениями вторичного цементита пластинчатого типа и в форме карбидной сетки. Для сравнения использовали сталь У8 со структурой грубопластинча-того перлита. Нагружение осуществляли взрывом.
В процессе нагружения и в результате взаимодействия с ловителем (толстостенным стальным кольцом) трубчатые образцы разрушились с обра зованием осколков. В образцах со структурой перлита и выделениями вторичного цементита осколки имели вытянутую форму с длинной осью, направленной параллельно образующей исходного цилиндра. Коэффициент не-равноосности осколков составлял 2. Наименьший размер осколков наблюдался в стали со структурой видманштеттова цементита. Среднее значение длины ста наиболее крупных осколков составило 7,5 мм. Длина осколков в стали с избыточным цементитом в виде сетки составляет 16 мм, т.е. в 2 раза больше. При разрушении трубчатых образцов из стали У8 со структурой пластинчатого перлита максимальная длина образовавшихся фрагментов соответствует высоте исходных цилиндров (100 мм). Таким образом, на основании проведенных измерений можно сделать вывод о том, что видманштеттов цементит по сравнению с другими структурными составляющими охрупчи-вает сталь в наибольшей степени (рис. 4.15, 4.16).
С целью изучения роли структурных составляющих на характер динамического разрушения сталей были проведены металлографические исследования осколков. На основании проведенных исследований можно отметить, что на мезоскопическом масштабном уровне наблюдается явное влияние структуры динамически деформируемого материала на траекторию распространения трещин.
