Упрочнение низколегированных сталей с деформацией в межкритическом интервале температур

Рассмотрим нетрадиционную схему упрочнения, предложенную в работе и подробно изученную в работах. Упрочняли листы из малоуглеродистой стали, а также хромомарганцовистой стали с ванадием типа 15Г2СФ и 15Х2СФ. Обработка состояла в аустенитизации при 930° С с последующим охлаждением центральных слоев до температуры межкритического интервала или АГ — 30° С — с выдержкой в течение одного часа и последующей деформацией на 50%. Прокатывали листы толщиной 12 и 20 мм. Непосредственно после деформации листы охлаждали в воде. В дальнейшем проводили отпуск, в том числе высокотемпературный при 650° С.

После охлаждения проката в воде наблюдали колонии бейнита или мартенсита и достаточно мелкие и ультрамелкие зерна феррита.

После высокого отпуска снижается плотность дислокаций, дополнительно развиваются дислокационные процессы, формируется более устойчивая субструктура в теле субзерен и по границам выделяется дисперсная карбидная фаза. В описанной структуре зерна с большеугловыми границами и два типа субзерен, отличающихся по размерам на порядок, легко релаксируют пики микронапряжений, и поэтому затруднено как зарождение, так и распространение трещин. Это является основным фактором, определяющим высокое сопротивление металла разрушению.

Другой, несколько менее важный структурный фактор, влияющий на эксплуатационные свойства сталей, деформируемых в межкритическом интервале температур, — наличие кристаллографических текстур.

При металлографическом анализе в микроструктуре наблюдали два типа ферритных зерен: вытянутые по направлению прокатки — типичные для теплой деформации, а также зерна размером 50-70 мкм, возникшие на месте бывших перекристаллизованных зерен аустенита и состоящие из большого количества субзерен, хорошо различимых под электронным микроскопом.

При испытании цилиндрических образцов из проката, упрочненного по рассматриваемой схеме, в изломе образца диам. 6 мм сечение шейки приобретает форму эллипса. Большая ось эллипса параллельна плоскости прокатки; в таких изломах наблюдаются характерные расщепления, параллельные плоскости прокатки. Если деформация при обработке отсутствовала, в сечении шейки разрушенных образцов не наблюдали ни эллипсности, ни расщеплений.
Высокотемпературный отпуск не устраняет наблюдаемой текстуры, хотя в целом ослабляет ее. Основной причиной появления расщеплений является формирование при ТМО текстуры (100) в плоскости прокатки, совпадающей с направлением плоскостей скола в феррите (100), что и объясняет относительную легкость формирования расщеплений, параллельных плоскости прокатки. В работе отмечается, что формирование расщеплений стимулируется развитием процессов обратимой отпускной хрупкости. Действительно, в работе отмечено повышенное содержание фосфора на внутренних поверхностях расщеплений.

Образование расщеплений определяется именно появлением кристаллографической текстуры в стали после рассматриваемой обработки, и их следует отличать от расслоений, наблюдаемых в изломах образцов из строительных сталей обычной чистоты и связанных с наличием в таких материалах неметаллических включений, чаще всего вытянутых строчечных сульфидов марганца.

При относительно высокой ударной вязкости расщепления появляются в центральной части образца на значительном удалении от надреза, при этом расщепления окружены развитыми зонами среза, своеобразными внутренними «губами среза». При снижении температуры испытаний и ударной вязкости расщепления возникают в зоне, максимально удаленной от надреза — в непосредственной близости к излому. При температуре -60° С наблюдается своеобразное строение излома, имеющее место лишь при рассматриваемых обработках: непосредственно от надреза магистральная трещина распространяется как макрохрупкая, примерно в середине образца на макрохрупком изломе появляется большое количество расщеплений (порядка десяти), на которых трещина останавливается.

Электронно-микроскопические исследования показали, что на микроуровне расщепления представляют собой как бы полости, окруженные зонами ямочного микрорельефа. Расщепления формируются при промежуточных условиях нагружения. При низких температурах, в условиях образования чистого скола, расщепления не образуются. Их также мало, когда пластическое деформирование металла в процессе разрушения облегчено.

При рассматриваемой схеме упрочнения при повышении температуры отпуска ударная вязкость резко возрастает, хотя число и степень развития расщеплений в изломе существенно снижается, т. е. само по себе наличие расщеплений в изломе не является основной причиной очень высокой ударной вязкости, которая определяется специфическим многослойным строением структуры. Вместе с тем формирование расщеплений может существенно повысить сопротивление стали распространению трещин.

Расщепления формируются в металле, не имеющем физической несплошности, перед фронтом распространяющейся трещины под влиянием возникающего поля напряжений. Расщепления, являющиеся, в основном, следствием текстуры (100), располагающейся параллельно плоскости прокатки, по направлению нормальны к фронту трещины и как бы делят металл на множество фибр-слоев; при этом жесткость напряженного состояния в центре каждого из этих слоев резко смягчается.

Интенсивно развиваются локальные пластические деформации в виде «губ среза», что может быть связано с наблюдаемой кристаллографической текстурой по плоскостям (112). В этом и заключается механизм торможения и остановки трещины расщеплениями. Остановки таких трещин часто наблюдаются в сосудах или трубах, где они зарождаются на внутренней поверхности в зоне сплавления сварного соединения.

Наличие крупных неметаллических включений, представляющих собой физическую несплошность металлической матрицы, способно устранить положительный эффект расщеплений. Поэтому стали, упрочняемые по рассматриваемым схемам, должны обладать повышенной чистотой по неметаллическим включениям.

В прокате из обычно низкоуглеродистой стали марки СтЗсп химического состава (%): С — 0,22; Мn — 0,48; Si — 0,22; S — 0,030; Р — 0,010 — при рассмотренной обработке также удалось получить достаточно высокие свойства.

Приведенная схема упрочнения рассмотрена как пример высоких потенциальных возможностей обычных строительных сталей, упрочненных в потоке станов, разумеется при создании специального оборудования для охлаждения проката после завершения горячей деформации.