Исследование структурообразования в упрочненных арматурных профилях

Магистранты Калмекеева Г.Т., Сарсенбаев Н.Н., профессор Канаев А.Т.

Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, Астана

Структура и свойства металлических материалов определяется их химическим и фазовым составом, формой и размерами зерен, наличием и плотностью дефектов кристаллического строения, поэтому управление этими параметрами в процессе их обработки наиболее эффективно обеспечивает требуемое качество готовой металлопродукции [1].

Одним из перспективных способов достижения требуемого качества металлопродукции является совмещенная деформационно-термическая обработка, которая имеет неоспоримые технические и экономические преимущества перед другими способами улучшения и управления качеством.

высокой технико-экономической эффективность процесса.

Следует отметить, что способы деформационно-термической обработки применяют в тех случаях, когда необходимо существенно повысить прочностные характеристики сплавов, одновременно сохранив при этом приемлемые значения пластических и вязких параметров, поэтому совмещенная деформационно-термическая обработка является наиболее эффективным способом улучшения качества металлических изделий.

В качестве материала для исследований приняты рядовые малоуглеродистые стали марок Ст.5пс и Ст.5пс (ГОСТ 380-2008) и низколегированная сталь марки 35ГС (ГОСТ 5781- 2002). Арматурные профили диаметром 20мм и 25 мм, изготовленные из этих марок сталей, подвергали деформационно-термической обработке согласно требований ГОСТ10884-2001«Сталь стержневая арматурная термомеханически и термически упрочненная периодического профиля. Технические условия».

Микроструктуру горячекатаных и упрочненных образцов исследовали при увеличении х200 на оптическом микроскопе фирмы Leica Microsystems (Германия). Долю перлитной составляющей определяли по методу Розиваля, согласно которому площади структурных составляющих вычисляют по длинам отрезков прямой, попавших на каждую из структурных составляющих в соответствии с принципом Кавальери.

Механические испытания горячекатаных и термоупрочненных образцов определяли на прецизионной испытательной установке «Инстрон», предварительно изготовив образцы по растяжение.

Температуру конца прокатки (полной закалки) и температуру самоотпуска измеряли оптическим пирометром «Проминь» с погрешностью измерения ± 10 ⁰С, давление и расход воды при упрочняющей термической обработке измеряли манометрами МП-600 и электромагнитными расходомерами.

Для получения комплекса высоких механических свойств (высоких прочностных характеристик - σ_в, σ_т при хорошей вязкости - KCU и удовлетворительной пластичности – δ₅ стали) необходимо добиться такого соотношения параметров деформационно-термической обработки, при котором процессы динамической и статической рекристаллизации в процессе горячей деформации и последующего охлаждения получили как можно меньшее развитие, обеспечивая тем самым мелкозернистую структуру арматурной стали. Такая задача требует, чтобы время между окончанием горячей прокатки и началом интенсивного охлаждения было минимальным [2,3].

Деформационно-термическому упрочнению подвергали арматурные профили диаметром 20 мм и 25 мм из спокойной углеродистой стали марки Ст.5сп на класс прочности Ат–III. При этом давление охлаждающей воды в коллекторе 0,12МПа и расходы соответственно 180 м³/ час и 200 м³/ час с температурой самоотпуска на уровне соответственно 600⁰/с и 580⁰/с.

Как показали исследования, макроструктура термоупрочненных стержней имеет четко выраженные зоны: внешнее кольцо толщиной 2мм (рисунок 4б) и внутренний круг с переходным участком - вследствие различных механизмов распада аустенита поверхностных и внутренних зон при термоупрочнении по режиму прерванной закалки с последующим самотпуском [4]. На стержнях горячекатаной стали макроструктура - однородная (рисунок 4а).

а) б)

Рисунок 4 - Макроструктура (Х5) арматурных стержней периодического профиля диаметром 25 мм и з углеродистой стали Ст.5сп

На рисунке 5 представлена микроструктура по сечению горячекатаного арматурного стержня диаметром 20 мм. из стали Ст.5сп. Видно, что из-за более ускоренного охлаждения поверхностных слоев формируется структура, напоминающая видманштеттову структуру с вытянутыми ферритными пластинками.

а) поверхностные зоны

а) поверхностные зоны

б) центральные зоны

Рисунок 5 - Микроструктура по сечению горячекатаного арматурного

стержня диаметром 20 мм. из стали Ст.5сп., х 200

Металлографические исследования показывают, что при термоупрочнении по режиму прерванной закалки с последующим самоотпуском по сечению стержней формируется неоднородная микроструктура.

Структура поверхностных (краевых) зон стержней диаметром 20 мм представляет собой продукты распада малоуглеродистого мартенсита с недостаточно развитой сфероидизацией карбидных частиц. В промежуточной (переходной) зоне структура состоит из продуктов бейнитного превращения аустенита с мелкими зернами феррита или дисперсной перлитной составляющей. В центральной зоне стержней структура характеризуется более крупными зернами феррита и перлита различной степени дисперсности.

Такой характер макроструктуры объясняется различным механизмом распада аустенита поверхностных и внутренних зон при деформационно-термическом упрочнении по режиму прерванной закалки и с последующим самоотпуском.

Аустенит поверхностных зон распадается по мартенситному и мартенситно-бейнитному механизму с последующим самоотпуском за счет тепла внутренних слоев; аустенит внутренних зон распадается по диффузионному перлитному механизму, а переходным зонам присущи черты обеих видов распада аустенита: бездиффузионного мартенситного и диффузионного перлитного (рисунок 6).

а) поверхностные зоны

б) центральные зоны

Рисунок 6 - Микроструктура по сечению деформационно-термически упрочненного арматурного стержня диаметром 20 мм. из стали Ст.5сп, х 200

При термоупрочнении стержней диаметром 25 мм формируется также неоднородная по сечению структура: в поверхностных зонах - сорбит отпуска с недостаточно развитой сфероидизацией карбидных частиц и нижний бейнит в смеси с небольшим количеством игольчатого феррита; в промежуточных зонах - смесь верхнего бейнита; тонкодисперсного перлита и мелких зерен феррита; в центральной зоне - более крупные зерна феррита и перлита разной дисперсности. В арматурных стержнях диаметром 20 мм соотношение этих зон меняется в сторону увеличения доли поверхностной закаленной и переходной зон и уменьшения доли внутренней незакаленной зоны.

Таким образом, при деформационно-термическом упрочнении по схеме прерванной закалки с последующим самоотпуском формируется неоднородная по сечению упрочняемой арматуры микроструктура:

- поверхностные зоны имеют структуру сорбита отпуска с недостаточно развитой сфероидизацией карбидных частиц и нижнего бейнита в смеси с небольшим количеством игольчатого феррита;

- микроструктура промежуточных зон представлена смесью верхнего бейнита, тонкодисперсного перлита и мелких зерен феррита;

- в центральной зоне профилей структура характеризуется более крупными зернами феррита и перлита различной степени дисперсности.

Соотношение поверхностной закаленной и переходной зон, а также незакаленной внутренней зоны меняется в зависимости от диаметра упрочняемого профиля [3,5].

В таблице 2 приведены результаты деформационно-термического упрочне-

ния арматурных профилей диаметром 20 мм с разным содержанием углерода (в пределах ГОСТ 380-2008). Обращает внимание довольно широкий диапазон изменения содержания углерода, являющегося главной постоянной примеси стали.

Таблица 2 - Влияние содержания углерода в стали, продолжительности интенсивного охлаждения и давления воды в камере охлаждения на механические свойства стержневой арматуры диаметром 20 мм из углеродистой стали марки Ст.5сп.

Содер- жание в стали, % углерода	Продол- житель- ность интенсив ного охлаж дения, с	Механические свойства при различных давлениях охлаждающей воды в камере интенсивного охлаждения
		σв , МПа			σт , МПа			δ5 ,%
		Р=0,2 МПа	Р=0,4 МПа	Р=0,6 МПа	Р=0,2 МПа	Р=0,4 МПа	Р=0,6 МПа	Р=0,2 МПа	Р=0,4 МПа	Р=0,6 МПа
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
0,28	1,5	520	560	620	410	440	490	28,0	23,0	21,0
__"___	2,0	600	650	710	470	530	580	25,0	22,0	20,0
__"___	3,0	650	710	780	510	580	640	22,0	20,0	19,0
0,32	1,5	560	600	650	440	500	540	26,5	21,5	19.0
__"___	2,0	660	700	760	520	590	630	23,5	20,0	18,0
__"___	3,0	710	780	830	570	660	700	21,5	19,0	17,0
0,35	1,5	610	650	690	450	530	570	24,0	21,0	18,5
__"___	2,0	720	760	820	540	630	660	22,0	18,5	16,0
__"___	3,0	790	860	890	610	710	750	21,0	15,0	13,0

Из приведенных в таблице 2 экспериментальных данных видно, что механические свойства деформационно-термически упрочненных арматурных профилей существенно зависят от содержания углерода в стали. Так, при изменении содержания углерода с 0,28 % до 0.35% в арматурном профиле диаметром 20 мм из стали Ст.5сп временное сопротивление - σ_в увеличивается с 650 МПа до 760 МПа при заданном давлении воды в камере интенсивного охлаждения 0,4МПа и продолжительности интенсивного охлаждения 2 сек, что соответствует увеличению временного сопротивления - σ_в на 16 МПа при росте содержания углерода на 0,01%. При этих же условиях, т.е. при изменении содержания углерода на 0,01%, предел текучести - σ_т возрастает на 14МПа, а относительное удлинение - δ₅ уменьшается на 0,8 % (по абсолютной величине).

Изменение давления охлаждающей воды в камере интенсивного охлаждения от 0,2 МПа до 0,6 МПа при содержании углерода в стали 0,32 % вызывает увеличение временного сопротивления - σ_в с 660 МПа до 760 МПа при заданной продолжительности интенсивного охлаждения 2 сек., что соответствует увеличению временного сопротивления на 25МПа при росте давления охлаждающей воды на 0,1МПа. При этих же условиях, т.е при изменении давления воды на 0,1МПа , предел текучести возрастает на 25МПа, а относительное удлинение снижается на 1,4 % (по абсолютной величине).

Выводы

1. Металлографическими исследованиями показано, что микроструктура при деформационно-термическом упрочнении по схеме прерванной закалки с последующим самоотпуском формируется неоднородная по сечению упрочняемой арматуры микроструктура, соотношение поверхностной закаленной и переходной зон, а также незакаленной внутренней зоны меняется в зависимости от диаметра упрочняемого профиля.

2. Установлено, что механические свойства деформационно-термически упрочненных арматурных профилей существенно зависят от содержания углерода в стали. При этом показано, что для получения механических свойств деформационно-термически упрочненных арматурных профилей из углеродистой стали марки Ст.5сп, соответствующих классу прочности А_т-III согласно ГОСТ 10884-2001, необходимо подвергать упрочнению арматурные профили диаметром 20 мм при давлении охлаждающей воды в камере интенсивного охлаждения не ниже 0,25 МПа, а арматурные профили диаметром 25мм при давлении не ниже 0,35 МПа при условии, что содержание углерода в стали будет находиться на уровне не менее 0,32 %.

3. Показано влияние давления охлаждающей воды прочностные и пластические характеристики упрочненных арматурных профилей. Обосновано, что для получения арматурных профилей диаметром 20 и 25 мм из стали Ст.5, соответствующих классу прочности А_т–111С согласно ГОСТ 10884-2001, давление охлаждающей воды при заданной продолжительности интенсивного охлаждения τ_охл.=2,0 с. должно быть не менее 0,5 МПа.

Список литературы

1. Л. Ван Флек Теоретическое и прикладное материаловедение. Пер. с английского. Москва, Атомиздат, 1985, 472 с.

2 Гольдштейн М.И., Емельянов А.А., Пышминцев И.Ю. Упрочнение малоуглеродистых сталей // Сталь. - 1996. № 6. - с.53-58.

3 Канаев А.Т. Физические и технологические основы термомеханического упрочнения низкоуглеродистой стали. – Алматы: Ғылым, 1993. - 235 с.

4 Узлов И.Г., Сидоренко О.Г., Шеремет В.А. и др. Особенности структурообразования и формирования свойств в процессе прерывистого охлаждения арматурной стали // Теория и практика металлургии. 1999. № 3. с. 33-35.

5 Рудской А.И., Коджаспиров Г.Е. Технологические основы получения ультрамелкозернистых металлов. Санкт-Петербург, Изд-во Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, 2012, 247 с.

6 ГОСТ 5781- 2002 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия

7 ГОСТ 10884-2001. Сталь стержневая арматурная термомеханически и термически упрочненная периодического профиля. Технические условия