Термическое упрочение с использованием тепла прокатного нагрева с последующим отпуском

В этом случае появляется возможность устранения операции закалки с печного нагрева. При этом проявляется эффект ТМО — повышение прочности при незначительном снижении пластичности и вязкости. При равной прочности пластичность и вязкость после ТМО, по сравнению с закалкой с печного нагрева в печах, как правило, возрастают.
Исследовали вариант обработки с окончанием прокатки в аустенитной области и последующим ускоренным охлаждением. Для исследования была взята сталь, содержащая 0,10% С; 1,25% Мп; 0,35% Si; 0,004% В. Прокатку заканчивали при температуре 930° С.

Деформация при прокатке в последних проходах составляла 45 %. Одну из заготовок по окончании прокатки охлаждали в баке с водой комнатной температуры, другую, контрольную, — после прокатки охлаждали на воздухе, затем нагревали до 930° С, выдерживали в течение 5 мин и охлаждали в баке с водой. Из обеих заготовок поперек направления прокатки вырезали заготовки 11 х 11 х 55 мм, которые подвергали отпуску при разных температурах. Выдержка при отпуске после прогрева составляла 10 мин. Сопротивление разрушению определяли при испытаниях на статическое растяжение цилиндрических образцов, а на ударный изгиб — призматических при температуре —15° С. После закалки с прокатного нагрева прочность стали на 270 Н/мм² выше, чем после закалки со специального печного нагрева; предел текучести соответственно выше на 360 Н/мм². При наблюдаемом значительном возрастании прочностных характеристик после закалки с прокатного нагрева относительное удлинение снижается лишь на 4% (абс.).

Учитывая значительное различие прочностных свойств исследуемых сталей после закалки, для обеспечения равнопрочных их состояний отпуск заготовок, закаленных с прокатного нагрева, проводили при температуре на 80-100° С выше, чем закаленных после печного нагрева. Кривые разупрочнения при отпуске для обеих сталей проходят эквидистантно. Разница между пределом прочности и пределом текучести меньше для стали, закаленной с прокатного нагрева. При одинаковом отпуске прочность стали, закаленной с прокатного нагрева, значительно выше, а пластичность и вязкость несколько ниже. При отпуске на равную прочность заготовка, закаленная с прокатного нагрева, имеет более высокие показатели предела текучести, пластичности и ударной вязкости, а также более высокий процент вязкой составляющей в изломе, что свидетельствует о более низкой температуре перехода в хрупкое состояние. Заготовка, закаленная с прокатного нагрева и отпущенная при 600° С, имеет временное сопротивление 660 Н/мм², предел текучести 587 Н/мм², относительное удлинение 23,2%, ударную вязкость при -15° С 114 Дж/см². Контрольная сталь, закаленная с печного нагрева и отпущенная при 500° С, имеет временное сопротивление 650 Н/мм², предел текучести 533 Н/мм², относительное удлинение 21 %, ударную вязкость 100 Дж/см². При отпуске с 600° С контрольная сталь имеет временное сопротивление 553 Н/мм², предел текучести 430 Н/мм², относительное удлинение 27,7%, ударную вязкость 140 Дж/см². Количество вязкой составляющей в изломе находилось в пределах 65-100%.

Отмеченный выше более медленный темп разупрочнения при повышении температуры отпуска заготовки, закаленной с прокатного нагрева, является важной особенностью термически упрочненных свариваемых низколегированных сталей. В этом случае степень разупрочнения в зоне термического влияния при сварке должна быть значительно ниже, чем при сварке стали, закаленной с печного нагрева.

Исследование структуры опытных вариантов стали показывает, что аустенитное зерно после обеих закалок примерно одинаково и характеризуется 8-9 баллом. Структура, полученная после закалки с прокатного нагрева, состоит в основном из мартенситно-бейнитной смеси (40 и 55 % соответственно) с отдельными вкраплениями феррита (около 5 %); в структуре же закалки с печного нагрева — присутствует 80% бейнита и 20 % феррита. Мартенсит и нижний бейнит в обеих структурах имеют реечное строение. Бейнитная составляющая структуры, полученной после закалки с прокатного нагрева, состоит из нижнего бейнита, а после печного нагрева — из смеси нижнего и верхнего бейнита с преобладанием верхнего. Из этого следует, что при закалке непосредственно с прокатного нагрева инициируется превращение по мартенситно-бейнитному механизму с наличием в основном неравновесных структур, тогда как после закалки с печного нагрева преобладают продукты диффузионного распада.

Можно полагать, что при выбранных температурно-временных условиях проведения обеих термических обработок наблюдаемое различие в характере превращения аустенита можно объяснить более высокой однородностью аустенита стали, закаленной с прокатного нагрева, что определяет его повышенную устойчивость.

Соответственно различиям превращений, отмеченным при закалке, отпуск обеих сталей протекает по-разному. После отпуска при 600° С структура заготовки, закаленной со специального печного нагрева, состоит в основной массе из продуктов отпуска бейнита и небольшого количества феррита. В отдельных участках на общем фоне отпущенного бейнита заметна ориентация по бывшим кристаллам нижнего бейнита. Заготовка, закаленная с прокатного нагрева, характеризуется наличием в основном структуры отпущенного мартенсита и нижнего бейнита, сохранившей ориентацию продуктов закалки. Следует отметить более высокую однородность структуры после закалки с прокатного нагрева.

Исследование тонкой структуры проводили путем оценки ширины рентгеновских интерференционных линий. Рентгеновскую съемку проводили на дифрактометре ДРОН-3 в железном излучении с записью на диаграммную ленту потенциометра интерференционных линий (211), (220), (110). Средняя квадратичная ошибка измерения ширины линий (211), (220) составляла ±0,4 MP, а ширины линии (110) — ±0,1 MP.
При закалке с прокатного нагрева ширина интерференционных линий в 1,4 раза больше, чем после обычной закалки с той же температуры. Разница в ширине интерференционных линий заготовок, закаленных по-разному, сохраняется и после высокого отпуска. Увеличение ширины линии при деформации в аустенитном состоянии может быть связано с увеличением искажений кристаллической решетки и измельчением блоков мозаики (областей когерентного рассеяния) при постоянном содержании углерода.

Методом аппроксимации разделяли вклад микроискажений и размеров блоков в уширение линий (220) и (110). В качестве эталона использовали образцы исследуемой стали, отожженные при 930° С и охлажденные с печью.

Микроискажения и некоторое измельчение блоков мозаики являются причиной увеличения ширины интерференционных линий. Закаленная с прокатного нагрева и отпущенная при 600° С сталь, в сравнении со сталью, не отпущенной после закалки с печного нагрева, имеет после отпуска более низкий уровень микронапряжений и развитую блочную структуру — размер блоков стали, отпущенной после закалки с прокатного нагрева, мельче, чем неотпущенной, закаленной с печного нагрева.

Таким образом, закалка с прокатного нагрева низколегированной стали, по сравнению с закалкой после специального печного нагрева, повышает более чем на 30% временное сопротивление разрыву и более чем на 50% предел текучести. В первом случае основным механизмом превращения в процессе закалочного охлаждения является бездиффузионный, во втором преобладает превращение по диффузионному механизму. Эффект высокого упрочнения, достигнутый при закалке с прокатного нагрева, сохраняется при высоком отпуске. При одинаковом отпуске сталь, закаленная с прокатного нагрева, имеет более высокие характерности прочности по сравнению со сталью, закаленной с печного нагрева. Это можно связать с развитой дислокационной структурой (о чем свидетельствует наличие микроискажений) и дисперсной блочной структурой, которые совместно с карбидами образуют комплексы, ориентированные по кристаллографическим плоскостям мартенситно-бейнитных структур закалки. При отпуске на равную прочность сталь, закаленная с прокатного нагрева, имеет более высокий предел текучести при одновременно более высоких пластичности, вязкости и хладостой кости, что следует отнести на счет высокой однородности микроструктуры и дисперсности блочной структуры.

Важным фактором для термически упрочненных в потоке станов низколегированных сталей является низкий темп разупрочнения, наблюдаемый при отпуске стали, закаленной с прокатного нагрева, что должно предопределять незначительное разупрочнение при сварке.

Комплексный механизм упрочнения, достигаемый благодаря высокой плотности дислокаций и фрагментации, позволяет значительно повысить прочность при закалке с прокатного нагрева при сохранении высоких пластичности, вязкости и хладостой кости.
Таким образом, по сравнению с обычным улучшением, при полной реализации эффекта ТМО возрастают одновременно прочностные и вязкостные свойства проката; при неполном эффекте ТМО прочность становится выше, а хладостойкость снижается; наконец, в ряде случаев свойства получаются одинаковыми после обеих схем упрочнения. В последнем случае упрочнение по схеме ТМО имеет только экономические преимущества, что находится в соответствии с выводами работы.