Диспергирование структуры конструкционных сталей вплоть до наноуровня методами термической и термомеханической обработки Симонов Юрий Николаевич д.т.н., зав. кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Пермского государственного технического университета Направления исследований 1. Разработка и внедрение конструкционных сталей со структурой бескарбидного бейнита 2. Повышение характеристик надежности мартенситностареющих сталей путем создания в них структуры типа «Нано-Триплекс» 3. Разработка принципов легирования и режимов термической обработки низкоуглеродистых сталей, обеспечивающих получение структуры блочного наномартенсита 4.Разработка технологии диспергирования структуры низколегированной конструкционной стали вплоть до наноуровня с целью создания материала для сосудов высокого давления. 5. Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических материалов

Механизмы упрочнения металлов и сплавов Препятствия, которые вводятся в решетку для затруднения движения дислокаций, могут быть подразделены, в соответствии с их геометрическими размерами, на 4 группы: 0-мерные легирующие атомы замещения и внедрения; 1-мерные дислокации; 2-мерные границы зерен, субзерен, двойников, фаз; 3-мерные частицы второй фазы. В соответствии с этим, рассматривают 4 основных механизма упрочнения. Для описания соотношений между плотностью препятствий и приростом предела текучести используют следующие соотношения: σ 1 = α G c 1/2 твердорастворное упрочнение. - ТРУ; σ 2 = a G b ρ 1/2 дислокационное (деформационное) упрочнение - Дисл.У; σ 3 = k d 1/2 упрочнение границами зерен. - ЗГУ; σ 4 = β G b λ 1 дисперсионное упрочнение. - ДУ; σ 1 = α G c 1/2 твердорастворное упрочнение. - ТРУ; σ 2 = a G b ρ 1/2 дислокационное (деформационное) упрочнение - Дисл.У; σ 3 = k d 1/2 упрочнение границами зерен. - ЗГУ; σ 4 = β G b λ 1 дисперсионное упрочнение. - ДУ; в формулах: α безразмерная постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие растворенных атомов; G модуль сдвига матричного металла; с концентрация растворенных атомов; а, β 0,5; b вектор Бюргерса; ρ плотность дислокаций; k постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие границ элементов структуры и субструктуры, λ – расстояние между дисперсными частицами. Тогда предел текучести сплава, в котором действуют все указанные механизмы упрочнения, можно рассчитать как: σ 0,2 = σ 0 + σ 1 + σ 2 + σ 3 + σ 4, где σ 0 – предел текучести монокристалла (для α-Fe σ 0 ~ 30 МПа)

Причина перспективности использования зернограничного упрочнения Закон Холла –Петча: σ 0,2 = σ 0 + k d 1/2, то есть, с измельчением зерна сопротивление пластической деформации (предел текучести) растет. Закон Коттрелла: σ С = σ 0 + k 1 β G γ d 1/2, то есть, с измельчением зерна растет сопротивление хрупкому разрушению В формулах: σ 0 – предел текучести монокристалла (для α-Fe σ 0 ~ 30 МПа) σ 0 – предел текучести монокристалла (для α-Fe σ 0 ~ 30 МПа) k постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие границ элементов структуры и субструктуры, k постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие границ элементов структуры и субструктуры, d – размер зерна, d – размер зерна, β – коэффициент, учитывающий тип напряженного состояния, β – коэффициент, учитывающий тип напряженного состояния, G – модуль сдвига, γ - удельная поверхностная энергия. γ - удельная поверхностная энергия.

1. Разработка и внедрение конструкционных сталей со структурой бескарбидного нанобейнита. а 300 нм γ γ α 50нм в Структура стали 38ХС с бескарбидным бейнитом (а, б) На рис. а, б - основных: светлые области – бейнитный феррит, темные области – остаточный аустенит (т.н. светлопольное изображение); На рис. а, б дополнительных – темные области – бейнитный феррит, светлые области – остаточный аустенит (т.н. темнопольное изображение). Рис.в: высокоуглеродистая сталь типа 100Х2Г2С2 300 нм б γ

Режимы термической обработки и характеристики механических свойств стали 38ХС со структурой бескарбидного бейнита. Режим термообработки Аост +20, % Аост -196, % В / 0,2, МПа KCUКСТ I C, МПа м 1/2 МДж/м 2 Изотерм. закалка: 920 о С, 20 мин. 420 о С, 20 мин., вода / 7500,40,0758 Изотерм. закалка: 920 о С, 20 мин. 370 о С, 20 мин., вода / 12001,20,3113 Закалка 920 о С, 20 мин., масло + + отпуск 200 о С, 2 часа / 16500,70,253 Закалка 920 о С, 20 мин., масло + + отпуск 600 о С, 2 часа 1050 / 8501,61,4104

2. Повышение характеристик надежности мартенситностареющих сталей путем создания в них структуры типа «Нано-Триплекс» Схемы формирования аустенита различных типов в стали МС-200 (03Н18К9М5Т): а – ревертированного аустенита в при закалке из межкритического интервала температур ( °С); б – аустенит при скоростном нагреве до 820 °С с короткой выдержкой; в – остаточный аустенит после скоростной закалки от 820 °С; г – формирование ревертированного аустенита в процессе окончательного старения при 490 °С. Структура «Нано-Триплекс» в стали МС – мартенсит; 2 – остаточный аустенит 3 – ревертированный аустенит II 300 нм 1 2 3

Механические свойства стали МС-200 с различными типами аустенита Доля аустенита, %Механические свойства Общее к-воДоля Рев. АДоля Ост. Аσ В, МПаσ 0,2, МПаKCU +20 / KCU -196 МДж/м 2 Jc, МДж/м 2 Сталь МС-200 без аустенита (100% мартенсит + интерметаллиды) ,40 / 0,250,05 Сталь МС-200 с ревертированным аустенитом ,50 / 0,300,06 Сталь МС-200 с остаточным аустенитом ,85 / 0,430,13 Сталь МС-200 с обоими типами аустенита (Структура «Нано-Триплекс») ,00 / 0,550, ,90 / 0,500, ,85 / 0,500,11 Кроме того, сталь со структурой «Нано-Триплекс» обладает высокой циклической трещиностойкостью, а также - исключительно высоким сопротивлением ударной усталости.

3. Разработка принципов легирования и режимов термической обработки низкоуглеродистых сталей, обеспечивающих получение структуры блочного наномартенсита Структура блочного наномартенсита низкоуглеродистой стали 12Х2Г2НМФТ Структура блочного наномартенсита низкоуглеродистой стали 12Х2Г2НМФТ 500 нм Уровень свойств, достигнутый за счет наноструктурирования низкоуглеродистого мартенсита на стали с 0,12-0,14% углерода: предел прочности ~ 1600 МПа, предел текучести ~ 1400 МПа, ударная вязкость на образцах с трещиной, КСТ ~ 1.0 МДж/м2. Ожидается, что повышение содержания углерода до 0,20- 0,25% при условии сохранения структуры блочного наномартенсита приведет к дальнейшему повышению уровня прочности при неизменном уровне трещиностойкости (или небольшом его снижении).

4. Разработка технологии диспергирования структуры низколегированной конструкционной стали вплоть до наноуровня с целью создания материала для сосудов высокого давления. Р Р Схема штамповки обкатыванием (ШО) 1 – прецессирующий инструмент; 2 – Деформируемая трубная заготовка; 3 - оправка Во второй половине ХХ века были разработаны способы ХПД, позволяющие, за счет многократной локальной деформации, реализовать в заготовках сверхвысокие степени суммарной пластической деформации, которые, в отличие от традиционных способов ХПД, способствующих наноструктурированию, позволяют получать заготовки, пригодные для последующего промышленного использования: листовая, трубная заготовка и т.п. К таким, наиболее перспективным способам, относят штамповку обкатыванием. Структура стали 35Х после обработки по режиму: термическое улучшение + ШО 63% + отжиг 570 °С

Сравнительный анализ требований ОСТ для изделий типа «труба» и характеристик механических свойств трубных заготовок после различных режимов обработки Сравнительный анализ требований ОСТ для изделий типа «труба» и характеристик механических свойств трубных заготовок после различных режимов обработки Категория прочности по ОСТ для изделий типа «труба» σ 0,2, МПа δ, % ψ, % KCU +20, МДж/м 2 Не менее КС ,66 КС ,60 КС ,44 Свойства трубных заготовок в зависимости от режима обработки Режим обработкиσ 0,2, МПа δ, % ψ, % KCU +20, МДж/м 2 Термоулучшение: закалка 860°С, вода + отпуск 570°С, 2 часа (исходное состояние) ,65 ШО, ε = 42%, без отжига ,60 ШО, ε = 63%, без отжига ,48 ШО, ε = 42% + отжиг 570, 2 часа ,0 ШО, ε = 63% + отжиг 570, 2 часа ,80

Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических материалов Испытания образцов с трещиной различной длины. Образцы без боковых надрезов Сталь 09Г2С, закалка с отпуском: 1 – отпуск 200, 2 – отпуск 400, 3 – отпуск – отпуск 650°С Изломы образцов стали 09Г2С с трещиной различной длины после отпуска 200°С

Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических материалов Испытания образцов с трещиной различной длины. Образцы с боковыми надрезами Изломы образцов стали 09Г2С с боковыми надрезами и с трещиной различной длины после отпуска 650°С Микромеханизм роста трещины 09Г2С Закалка 925°С, вода, Отпуск 200°С КСТ* = 60 Дж/см 2

Построение диаграмм динамической трещиностойкости и характеристики динамической трещиностойкости Сталь 09Г2С, диаграммы динамической трещиностойкости СХЕМА ДДТ И ХАР-КИ ДТ Схема ДДТ и характеристики ДТ

Спасибо за внимание! Вопросы?