Структура и свойства сталей, формирующиеся при непрерывном охлаждении

Микроструктура горячекатаного толстолистового проката из сталей феррито-перлитного класса, как известно, состоит из зерен феррита и пластинчатого перлита. У проката из малоуглеродистой стали СтЗсп размер зерна чаще всего соответствует баллу 6—7, из низколегированной типа 09Г2С — баллу 7-8.

Микроструктура малоуглеродистой стали после охлаждения в воде обычно состоит из феррито-перлитной смеси с отдельными участками структур промежуточного типа. Под электронным микроскопом на тонких фольгах видно повышение в ряде участков плотности дислокаций, отчетливо выявляются и отдельные участки игольчатого феррита.

Прокат из низколегированных сталей, охлажденный в воде с температуры аустенитизации 930° С, приобретает микроструктуру бейнитного типа с небольшим количеством избыточного феррита, что находится в соответствии с термокинетическими диаграммами распада аустенита. Охлаждение в воде толстолистового проката из низколегированных сталей обеспечивает получение σ_в = 1000 Н/мм².

При охлаждении в воде проката из сталей бейнитного класса, например стали 14Х2ГМР, формируется преимущественно мартенситная структура. Из-за высокой температуры начала мартенситного превращения в ней имеется значительное число участков мартенсита, распавшегося при самоотпуске с образованием большого количества карбидных частиц. Методом электронной микроскопии установлено, что после закалки в воде (со скоростью около 60° С/с) полученную структуру можно классифицировать как реечный мартенсит; размер мартенситных пакетов от 5 до 20 мкм.

Внутри кристаллов мартенсита наблюдается высокая плотность дислокаций, образующих плотную нерегулярную сетку. Отдельные дислокации чаще всего не разрешаются, и лишь в некоторых случаях, при благоприятных условиях контраста, можно различить структуру дислокационных образований. Внутри реек распределение дислокаций неравномерно и носит облакообразный характер. Участки с меньшей плотностью дислокаций на фотографиях выглядят более светлыми.

На дислокационную структуру кристаллов мартенсита накладывается структура самоотпуска. Поскольку мартенситная точка высока, кристаллы мартенсита, образовавшиеся при повышенных температурах, успевают отпуститься в процессе охлаждения. На микрофотографиях внутри некоторых реек отчетливо видны выделения карбидной фазы, которая с помощью микродифракции идентифицируется как цементит. Характерной особенностью наблюдаемого в стали 14Х2ГМР мартенсита закалки является (при наличии высокой плотности дислокаций) почти полное отсутствие двойников внутри кристаллов. Лишь очень редко в отдельных кристаллах встречаются тонкие двойниковые прослойки.

Типичная структура сталей феррито-бейнитного класса после горячей прокатки — верхний бейнит и доэвтектоидный феррит, выделяющийся, как правило, по границам аустенитного зерна. Однако в толстых листах из сталей с ванадием, не легированных азотом, часто формируется мелкозернистая структура (балл 8-9), с карбидами ванадия. Механические свойства такой стали могут соответствовать классу С390; сталь характеризуется высокой хладостойкостью.

Структура нормализованного проката из сталей феррито-бейнитного класса зависит от температуры аустенитизации. После нормализации при температурах 900-980° С прокат имеет мелкую феррито-перлитную микроструктуру (балл 10-12); число и дисперсность выделившихся частиц V(C, N) с повышением температуры нормализации увеличивается, что приводит к росту прочностных характеристик. При еще более высоких температурах аустенитизации (1050° С) в микроструктуре появляются участки промежуточных структур, при этом ударная вязкость уменьшается.

Появление в микроструктуре проката из стали 15Г2АФ продуктов промежуточного превращения можно объяснить следующим образом. Сталь 15Г2АФ благодаря модифицирующему действию карбонитридов ванадия имеет наследственно мелкозернистую структуру. Интенсивное растворение карбонитридов ванадия в аустените, происходящее при температурах 1050-1100° С, приводит к резкому увеличению размеров аустенитного зерна. Благодаря этому увеличивается устойчивость аустенита в феррито-перлитной области и, как следствие, в структуре появляются продукты промежуточного превращения.
При охлаждении проката из сталей ферритобейнитного класса в воде формируется структура верхнего бейнита игольчатой морфологии, аналогичная рассмотренной выше, иногда с участками нижнего бейнита. Более высокая дисперсность этих структур связана, очевидно, с меньшим размером аустенитного зерна, формирующегося при аустенитизации. Прочность толстолистового проката достигает 1200 Н/мм².

Получение мартенситных структур при закалке низколегированных и даже низкоуглеродистых феррито-перлитных сталей вполне возможно при увеличении скорости охлаждения в воде. Различные устройства, обеспечивающие высокую скорость охлаждения проката, например устройства с охлаждением изделий турбулентными потоками воды, разработаны школой К. Ф. Стародубова и в настоящее время достаточно широко внедрены в практику термического упрочнения на металлургических заводах.