|
|
Отпуск стали. Представляет интерес
осветить данные, касающиеся сравнительного исследования свойств арматурной стали,
термически упрочненной с прокатного нагрева в промышленных условиях и
термически упрочненной с отдельного нагрева, для выяснения, в какой мере при
термическом упрочнении с прокатного нагрева на реальных установках
термоупрочнения проявляется эффект ВТМО. Исследовали арматуру диаметром 10 мм из стали 20ГС химического состава: 0,19% С; 1,32% Мп; 1,08% Si; 0,022% S; 0,021% Р.
Упрочняющую термическую обработку с прокатного нагрева
осуществляли на промышленной установке стана 250-1 Криворожского металлургического
комбината на класс Ат—VI путем быстрого (500 град/с) охлаждения движущейся со
скоростью около 14 м/с арматуры с 1050* до 300—350 °С. Арматурную сталь
охлаждали в потоке через 2—3 с после выхода металла из последней чистовой
клети «стана.
Арматуру той же плавки подвергали термическому упрочнению
с отдельного нагрева. При этом в целях получения величины действительного
зерна аустенита, близкой к таковому в случае термоупрочнения с прокатного
нагрева, термоупрочнение с отдельного нагрева проводили путем закалки
натурных образцов с 950 С при выдержке 15. мин. Отпуск вели в интервале
температур 200—600 °С в течение 1 ч. Определяли <т0,2, ав, 65 при
статическом растяжении, а также измеряли физические характеристики материала:
коэрцитивную силу (Нс) и электросопротивление . Рентгеноструктурный анализ
осуществляли на установке УРС-50И по ширине линии
Свойства металла, упрочненного с отдельного и прокатного
нагрева, неодинаковы.
При несущественном различии в прочностных свойствах и
коэрцитивной силе, пластичность арматурной стали, термически упрочненной с
прокатного нагрева по сравнению с той же сталью, закаленной с отдельного
нагрева, в два раза выше. Вплоть до температуры отпуска 400°С пластичность
арматурной стали, термически упрочненной с прокатного нагрева, продолжает
оставаться более высокой, чем у стали, термически упрочненной с отдельного
нагрева.
Повышение пластичности при термическом упрочнении с
прокатного нагрева оказывается тем более заметным, чем выше прочность стали
после такой обработки. На повышение пластичности арматурной стали при
термическом упрочнении с прокатного нагрева указывает и Ю. И. Пилип- ченко,
причем, этот эффект возрастает с уменьшением продолжительности
последеформационной выдержки.
В связи с тем, что отмеченное повышение пластичности
обнаруживается (в разной степени) на различных углеродистых и
низколегированных сталях, оно поэтому является типичным эффектом, присущим
процессу термического упрочнения с прокатного нагрева при малых (2—5 с)
последеформационных выдержках и больших скоростях последующего охлаждения
металла.
Поскольку ширина линии находится в прямой зависимости от
содержания углерода в мартенсите, то в закаленной до полного охлаждения с
отдельного нагрева арматурной стали ширина этой линии оказывается более
высокой, чем при термоупрочнении с прокатного нагрева, так как в этом случае-
осуществляли прерванную закалку с температурой самоотпуска около 300 Это
привело, естественно, к более полному выделению углерода из мартенсита в
стали, термоупрочнеиной с прокатного нагрева, в сравнении со сталыо,
закаленной с отдельного* нагрева. Поэтому при повышении температуры отпуска
до 300 °С ширина линии стали, закаленной с отдельного нагрева, непрерывно
снижается, а ширина этой линии арматурной стали„ упрочненного с прокатного нагрева,
до температуры отпуска 300—350 °С практически не изменяется. После того, как
весь углерод выделится из мартенсита (~350 °С для стали 20ГС), ширина линии
(ПО) будет преимущественно определяться плотностью несовершенств
кристаллической решетки отпущенной стали. Как известно, плотность дислокаций
пропорциональна квадрату физического уширения рентгеновской линии.
При отпуске 450 X и выше арматура, термически упрочненная
с прокатного нагрева, обнаруживает заметно большее сопротивление
разупрочнению при отпуске, чем в случае термического упрочнения с отдельного
нагрева. Например, при отпуске 550°С, 1 ч о0,02, tfo,2 и а» в первом случае
на 140, 150 и 100 МПа выше, чем во втором. Более высокая сопротивляемость
отпуску сталей, закаленных после горячей пластической деформации, обнаружена
и другими исследователями
Обращает внимание на себя то обстоятельство, что при
отпуске 450 °С и выше ширина линии на рентгенограммах в стали, упрочненной с
прокатного нагрева, оказывается более высокой. Дополнительное уширение рентгеновских
интереференций (после отпуска свыше 400 °С) в стали, упрочненной с прокатного
нагрева, можно объяснить повышенной плотностью дефектов кристаллической
решетки, унаследованных от деформированного аустенита и оставшихся в нем за
период времени между концом деформации в последней клети стана и началом
интенсивного охлаждения
Помимо уширения линии, косвенными признаками, указывающими
на повышенную плотность дефектов кристаллической решетки (дислокаций) в
упрочненной с прокатного нагрева арматурной стали являются более высокие
значения коэрцитивной силы и электросопротивления при всех температурах
отпуска в сравнении со сталью, закаленной с отдельного нагрева.
Таким образом, при термическом упрочнении с прокатного
нагрева в промышленных условиях, когда время от конца деформации до момента
охлаждения составляет 2—5 с, наблюдается эффект ВТМО — в материале
фиксируется большее количество дефектов кристаллической решетки, чем при
закалке с отдельного нагрева.
Конечно, степень проявления указанного эффекта будет
зависеть от конкретных температурно-деформационных условий горячей прокатки,
схемы деформации, длительности паузы после окончания деформации перед
закалкой и марки стали. Приведенные выше экспериментальные данные относятся к
условиям прокатки и термоупрочнения на непрерывном стане, состоящем из
последовательно расположенных семи черновых и восьми чистовых клетей.
Температура прокатки составляет 1150—1160°С. Скорость прокатки изменяется от
0,26 с-1 в первой клети до 16 с-1 в последней. Степень деформации в клетях
стана находится в пределах 0,31—0,46. При таких условиях прокатки (высокие
температуры, сравнительно большие обжатия и скорости вытяжки), в течение
самой деформации в валках стана и в период последефор- мационных пауз между
клетями, в прокатываемом металле активно протекают процессы динамической и
статической рекристаллизации, а каждый элементарный объем металла при
прокатке многократно испытывает смену циклов: деформация (горячий наклеп)
4-пауза (разупрочнение).
Хотя рекристаллизационные (разуирочняющие) процессы
развиваются весьма энергично, тем не менее дефекты кристаллической решетки,
возникающие в результате горячего наклепа в предыдущей клети стана, в течение
последеформационной паузы, пока металл не попадет в последующую клеть,
полностью не устраняются. Происходит постепенное накопление свежих дислокаций
в каждом элементарном объеме материала при переходе от клети к клети. Это
приводит к возрастанию остаточного упрочнения металла от прохода к проходу, о
чем свидетельствует повышение усилия и давления прокатки в каждом последующем
проходе. Важно отметить, что, как показал Г. Е. Коджаспиров, при одинаковой
суммарной деформации увеличение числа проходов, т. е. дробность деформации,
приводит к большему упрочнению стали, чем упрочнение, достигаемое за один
проход. Из изложенного ясно, почему вышедший из последней клети непрерывного
многоклетевого стана металл обладает структурным состоянием,
характеризующимся повышенной плотностью дефектов кристаллической решетки.
Так как металл в чистовой клети рассмотренного стана
прокатывается при температуре 1050СС, что значительно выше температуры
рекристаллизации аустенита углеродистых и низколегированных сталей, причем,
прокатка проводится с большими степенью (0,46) и скоростью (16 с-1)
деформации, то даже в условиях небольших последеформационных выдержек (2—3
с), как показывают результаты оптического микроструктурного анализа,
в стали в основном успевает протекать первичная
рекристаллизация: выявленные специальным травлением зерна бывшего аустенита
имеют развитые больше- угловые границы. При более короткой последеформа-
ционной паузе наряду с рекри- сталлизованными могут наблюдаться все больше
нерекристал- лизованных участков с ячеистой и полигонизованной субструктурой.
Действительно, элементы ячеистой субструктуры в фольгах на просвет наблюдал
Ю. И. Пи- липченко на арматуре из стали 20ГС, термоупрочненной с прокатного
нагрева в условиях очень коротких (0,08—0,1 с) последефор- мационных выдержек
Хладноломкость и тепловая прочность. Представляет интерес
рассмотреть, в какой мере термическое упрочнение с прокатного нагрева в
рамках промышленной технологии сказывается на хла- достойкость высокопрочной
стали в сравнении с ее обработкой на такую же прочность, но с отдельного
нагрева. Такие исследования мы провели на арматурной стали 20ГС2, которую
обработали по двум технологическим схемам на одинаковый предел текучести
(1120 МПа).
Испытывали образцы Менаже с мягким (г=1 мм) и острым (г = 0,25 мм) надрезами в интервале температур от +60 до — 60°С. Видно, что как при испытаниях образцов с
мягким, так и острым надрезами, термоупрочнениая с прокатного нагрева сталь
имеет существенно более высокую сопротивляемость хрупкому разрушению, чем
обработанная с отдельного нагрева.
Более высокие пластичность и сопротивляемость хрупкому
разрушению стали, упрочненной с прокатного нагрева, нельзя объяснить
повышенной плотностью дислокаций или созданием специфической субструктуры. Об
этом свидетельствуют данные В. Д. Садовского с сотрудниками, полученные при
исследовании хрупкости i стали 37XH3T и жаропрочного сплава | ^ ХН77ТЮР на
монокристаллах после р jto ВТМО. Монокристаллы диаметром 18—20 мм и длиной
150—180 мм вы- | ращивали по методу Бриджмена кристаллизацией из расплава в
атмосфере аргона.
Установлено, что ВТМО значительно ослабляет развитие
хрупкости поликристаллических образцов из этих сталей. Переход на
монокристаллы, т. е. когда исключаются, большеугловые границы, в 2—5 раз
повышает ударную вязкость в сравнении с поликристаллическими образцами при
тех же режимах закалки и отпуска. Оказалось, что ВТМО мало (не более, чем на
10%) изменяет ударную вязкость монокристаллических образцов в «вязком» и
«хрупком» состояниях при развитии обратимой отпускной хрупкости, несмотря на
то, что ВТМО приводила к существенному повышению плотности дислокаций в
кристаллах. Это говорит о том, что создание при ВТМО в монокристаллах
малоугловых границ или отдельных дислокаций, на которых возможно
дополнительное выделение охрупчивающих фаз или сегрегация вредных примесей,
не приводит к охрупчиванию материала (при обработке на «хрупкое» состояние).
Иными словами, созданная при ВТМО субструктура в виде системы малоугловых
границ не может служить объектом, куда происходит отток вредных охрупчивающих
примесей и тем самым снижается хрупкость поликристаллического металла. По
мнению вышеупомянутых авторов, хрупкость в исследованных сталях связана с
процессами, развивающимися на больше- угловых границах, т. е. на границах
зерен.
В. Д. Садовский с сотрудниками полагают, что эффект ВТМО в
отношении ослабления хрупкости поликристаллических образцов обусловлен не
возникновением особой субструктуры при ВТМО, а образованием в результате
высокотемпературной пластической деформации искаженности границ зерен, что
затрудняет интеркристаллитное (межзеренное) разрушение.
По мнению авторов, более высокая пластичность и
сопротивляемость хрупкому разрушению стали, термически упрочненной с
прокатного нагрева, связаны, вероятно, с тем, что в течение короткого
промежутка времени между концом деформации аустенита и началом его интенсивного
охлаждения образовавшиеся границы зерен и субзерен, равно как и отдельные
дислокации, не успевают обогатиться примесями (С, Р, N, О и др.), т. е. они
оказываются, по-видимому, более «чистыми», чем в случае повторного нагрева
стали под закалку. При такой трактовке явления, указанный эффект должен
проявляться тем заметней, чем меньше время последеформационной паузы перед
закалкой и чем ниже температура конца прокатки. Именно в таком направлении
наблюдали изменение пластичности в действительности
О влиянии состояния границ зерен на комплекс прочностных и
пластических свойств стали при ВТМО обращают внимание и другие исследователи
Отметим, что арматура, термически упрочненная с прокатного
нагрева, имеет тенденцию сохранять более высокую тепловую прочность чем
упрочненная с отдельного нагрева Особенно заметно это проявляется в
стали 20ГС2, микролегированной ванадием (до 0,1%). В стали такого типа в
связи с возникновением мельчайших частиц карбонитридов ванадия, могут
тормозиться процессы первичной рекристаллизации при горячей прокатке. Это
будет способствовать сохранению в течение короткой последеформационной паузы
перед закалкой большего или меньшего количества нерекристаллизованных аусте-
нитных зерен с ячеистой или полигональной субструктурой, обладающей
повышенной прочностью.
На возможность торможения процессов статической и
динамической рекристаллизации при прокатке ванадийсодержащен стали на
непрерывных станах указывает В. Шмитт. Дополнительное возрастание тепловой
прочности, как и увеличение сопротивляемости закаленной стали отпуску после
термического упрочнения с прокатного нагрева можно объяснить повышенной
плотностью дефектов кристаллической решетки в этом состоянии.
Таким образом, в результате проявления эффекта ВТМО в
условиях промышленной технологии термического упрочнения арматуры с
прокатного нагрева улучшаются не только прочность, пластичность и
сопротивляемость хрупкому разрушению, но и тепловая прочность, что,
естественно, дополнительно повышает на-дежность предварительно напряженных
железобетонных конструкций, изготовленных с применением упрочненной по такой
технологии арматуры, в экстремальных обстоятельствах (пожарная обстановка).
|