Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы одной из актуальных задач современного материаловедения становится получение и исследование материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. Хорошо известно, что такие материалы обладают весьма высоким комплексом механических свойств: прочностью, пластичностью, износостойкостью.
Фундаментальные основы теоретических закономерностей структурообразования и формирования свойств в УМЗ материалах изложены в работах П.В Бриджмена, В.М. Сегала, Р.З. Валиева, Ф.З. Утяшева, A.M. Глезера, В.В. Рыбина и других исследователей. Однако в настоящее время отсутствует единое, принятое научным сообществом описание изменения строения и свойств металлических материалов при интенсивной пластической деформации (ИПД). Поэтому создание научных основ эволюции структуры и свойств УМЗ конструкционных материалов в деформационных процессах - важная фундаментальная проблема материаловедения.
Для получения беспористых объемных материалов с УМЗ структурой с размером зерна менее 1000 нм наиболее результативным способом деформационного измельчения структуры является равнока-нальное угловое прессование (РКУП). Этот метод исключает конечное формоизменение заготовки и обеспечивает большие степени деформации без разрушения материла, что практически невозможно другими методами ИПД.
Несмотря на большое количество публикаций по тематике, связанной с исследованием структуры и свойств УМЗ металлов, процессы и механизмы их формирования при РКУП остаются до сих пор недостаточно изученными. Кроме того, из-за сложности проведения деформации для исследований в основном выбираются относительно пластичные металлы (медь, алюминий, никель) и их сплавы. Имеется и ряд работ по РКУП сталей с одной структурной составляющей - ферритом, аустенитом или перлитом. Что касается феррито-перлитных сталей, то многие вопросы о влиянии условий РКУП на изменение их структуры остаются открытыми. Между тем, перспективы практического использования сталей с УМЗ структурой требует более полных сведений, как об их механических свойствах, так и о механизмах формирования этих свойств. В наибольшей степени это касается низко- и среднеуглеродистых сталей, применение которых для изготовления продукции с высоким комплексом механических свойств традиционными технологиями не всегда возможно.
В связи с вышесказанным актуальной проблемой является выявление закономерностей структурных изменений в низко- и среднеуг-
леродистых сталях в ходе единичного цикла деформирования при РКУП, а также установление связей между степенью деформации и структурным состоянием материала, т.к. это позволило бы существенным образом продвинуться в понимании протекающих процессов и прогнозировать комплекс механических свойств заготовки, полученной методом РКУП.
Актуальность работы подтверждена ее соответствием тематике программ различного уровня, финансируемых из средств федерального бюджета: ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2011 гг.) (гос. контракт П983), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (per. номер 2.1.2/9277), фонда РФФИ (проект № 10-08-00405а), а также комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор № 13G25.31.0061).
Цель настоящей работы: исследование закономерностей структурообразования и формирования механических свойств в ходе РКУП углеродистых конструкционных сталей с исходной феррито-перлитной структурой.
В работе решаются следующие задачи:
Исследовать влияние степени деформации при РКУП на микроструктуру углеродистых конструкционных сталей с исходной фер-рито-перлитной структурой.
Разработать методику и осуществить количественный анализ параметров УМЗ структуры углеродистой феррито-перлитной стали, сформированной методом РКУП.
Исследовать механические свойства и характер разрушения углеродистых конструкционных сталей при изменении степени деформации в процессе РКУП.
Оценить возможности промышленного использования метода РКУП при производстве заготовок для получения металлических изделий повышенной прочности из углеродистых конструкционных сталей.
Научная новизна.
1. Получены новые научные данные о влиянии степени деформации при РКУП на формирование структуры углеродистых конструкционных сталей с пластинчатым строением феррито-карбидной смеси в исходном состоянии. Установлено, что отличительной особенностью механизма формирования УМЗ структуры с размером зерна от 200 до 500 нм является образование малоугловых дислокационных границ в деформационных полосах, в микрозернах феррита и феррит-ных пластинах перлита, их трансформация при увеличении степени деформации в болынеугловые границы и преобразование субзеренной
структуры в ультрамелкозернистую преимущественно с болынеугло-выми разориентировками. Показано, что в процессе РКУП происходит дробление и частичное растворение цементитных пластин перлита.
Разработана методика проведения количественного анализа УМЗ структуры феррито-перлитной стали, отличительной особенностью которой является адаптация растровых электронно-микроскопических изображений для использования программного продукта Thixomet Pro, предназначенного для обработки световых изображений структуры, а также обеспечение статистической достоверности количественной информации о структуре за счет достаточного объема выборки и соответствующих параметров распределения.
Определены количественные характеристики УМЗ структуры стали марок 20 и 45, формирующейся в процессе РКУП (ширина деформационных полос, размер фрагментов (субзерен, зерен) в феррите, толщина пластин феррита и цементита и межпластинчатое расстояние в перлите, объемная доля деформационных полос и фрагментирован-ного феррита), получены зависимости этих параметров структуры от степени деформации.
Впервые получены зависимости, характеризующие влияние степени деформации и количественных параметров микроструктуры на прочностные и пластические характеристики стали марок 20 и 45, формирующиеся при РКУП.
Практическая значимость.
Установлено, что использование РКУП как метода деформационного упрочнения позволяет в низкоуглеродистой стали марки 20 обеспечить прочностные характеристики, приближающиеся к прочностным характеристикам среднеуглеродистой стали марки 45: после четырех проходов (є ~ 2,7) временное сопротивление стали марки 20 составляет 843, а стали марки 45 - 922 Н/мм2.
Показано, что способность к деформационному упрочнению в процессе РКУП у стали марки 20 больше, чем у стали марки 45: после четырех проходов (є ~ 2,7) характеристики прочности относительно исходного состояния в стали марки 20 увеличиваются в 1,8-2,6 раз, а в стали марки 45 - в 1,5-1,6 раз.
Обнаружено, что увеличения числа проходов более двух дает менее значительное изменение прочностных и пластических характеристик по сравнению с первым проходом, но при этом, благодаря развитию фрагментации феррита с образованием ультрамелкозернистой структуры, объемная доля которой увеличивается от прохода к проходу РКУП, возрастает ударная вязкость и сопротивление хрупкому разрушению.
Реализация результатов.
Результаты работы использованы в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» при опробовании и внедрении эффективных технологических процессов производства высокопрочной продукции метизного производства: арматуры для железобетонных шпал, самонарезающихся винтов с повышенным уровнем потребительских свойств, калиброванного проката, новых видов крепежных изделий, что подтверждается актами внедрения результатов научно-исследовательских работ и технологических разработок.
Результаты теоретико-экспериментальныщх исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «МГТУ» и используются при подготовке инженеров по специальностям 150600 «Материаловедение и технология новых материалов» и 150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» со специализацией «Наноструктур-ные материалы и покрытия».
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на IX Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2008 г.); 66, 68 и 69-ой научно-технических конференциях (г. Магнитогорск, 2008, 2010, 2011 гг.); X и XI Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, 2009, 2010 гг.); XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященная 100-летию со дня рождения Н.Н. Липчина (г. Пермь, 2010 г.); X научно-технической конференции молодых специалистов, инженеров и техников (международный этап) ОАО «ММК» (г. Магнитогорск, 2010 г.); конференции «Объемные наноматериалы: новые идеи для инноваций», посвященной 15-летию создания ИФПМ УГАТУ (г. Уфа, 2010 г.); XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (НТИ-2010) (г. Новосибирск, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ'10)» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); III Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск, 2010 г.); VI Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г. Оренбург, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 научных публикаций, в т.ч. З в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, изложена на 144 страницах машинописного текста (без приложений), иллюстрирована 91 рисунком, содержит 7 таблиц, 5 приложений, библиографический список включает 148 наименований.
