Технические науки / 3. Отраслевое машиностроение

Т.Ю. Юдина, к.т.н. А.Е. Смирнов

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация

Формирование ультрамелкодисперсной структуры теплостойкой стали методами теплой пластической деформации

Введение

Выбор тематики данной работы обусловлен растущими требованиями авиационной промышленности по тепловой и силовой напряженности тяжелонагруженных деталей машин. Необходимо обеспечить новый уровень эксплуатационных свойств – в первую очередь контактной выносливости, износостойкости, что непосредственно зависит от состояния поверхности изделий.

Одним из наиболее перспективных направлений развития технологии упрочнения конструкционных материалов является создание ультрамелкодисперсной (УМД) микроструктуры поверхностного слоя. Материал с подобной структурой обладает повышенной прочностью при высоком запасе пластичности и вязкости. Использование материалов с УМД структурой при последующей упрочняющей обработке способно обеспечить высокую усталостную прочность и износостойкость. Кроме того, формирование УМД структуры на поверхности будущего изделия оказывает существенное влияние на процессы развитие диффузионных процессов при последующей химико-термической обработке [1].

Цель настоящей работы – разработка технологии создания термически стабильной УМД структуры в массивных изделиях в процессе их производства. В представленной работе формирование УМД микроструктуры материала предполагается достигнуть путем высокоэнергетического механического воздействия методами пластической деформации в сочетании с нагревом материала для создания условий динамической рекристаллизации - фактора интенсивного измельчения зеренной структуры [2] - и развития процессов деформационного старения, что позволяет получать термически стабильную УМД структуру для последующей химико-термической и термической обработки.

Эксперимент, материалы

В качестве материала была выбрана теплостойкая дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая свыше 6 % карбидообразующих элементов. Сталь применяется в авиастроении после упрочняющей поверхностной обработки.

В качестве метода воздействия на структуру материала была выбрана теплая деформация - разновидность термомеханической обработки, которую проводят в температурном интервале вблизи температуры рекристаллизации. Такая обработка приводит к формированию ультрамелкодисперсной структуры [2, 3]. Использовали пластическую деформацию сдвигом - прокатку и осадку.

Образцы подвергали пластической деформации при температурах 600, 700 и 800 °С и степени пластической деформации от 30 до 80 %.

Исходная структура материала заготовок представляла собой сорбит отпуска.

Для используемой стали температура рекристаллизации составляет 680 °С, температура АС1 составляет 720 °С. Таким образом, температура обработки 600 °С несколько ниже, а 700 °С выше температуры рекристаллизации. При такой температуре пластической деформации развиваются процессы динамической рекристаллизации. Деформационная обработка при температуре 800 °С проходит в аустенитной области. Последующее охлаждение на воздухе для стали  мартенситного класса равнозначно закалке – аустенит претерпевает мартенситное превращение.

Результаты

Для всех образцов после деформационной обработки было выявлено сильное измельчение исходной сорбитной структуры. Однако, образцы подвергавшиеся теплой прокатке отличаются значительной неоднородностью полученной структуры. Пластическое течение для всех режимов теплой прокатки сопровождается образованием тонкой волокнистой структуры. С ростом степени деформации усиливается и степень диспергирования структуры.

В образцах, подвергнутых теплой осадке, формируется наиболее благоприятная микро- и тонкая структура сталей.

Анализ изменений микроструктуры сталей после осадки при температурах обработки указывает на измельчение исходной крупнозернистой структуры сорбита, которое усиливается по мере увеличения степени деформации и температуры обработки.

Деформация при температуру 700 °С создает наибольшую степень измельчения ферритных кристаллов. Размер действительного зерна при осадке со степенью ε = 80 % при температуре 700 °С уменьшается до 6 мкм.

В результате фазовой перекристаллизации сталей при нагреве до 800 °С в область аустенита, интенсивной его пластической деформации, развития динамической полигонизации и возможно начальных стадий первичной рекристаллизации и, наконец, последующей закалки размер действительного зерна уменьшается до 7 мкм, что соответствует УМД состоянию.

Таким образом, наиболее предпочтительными вариантами термомеханической обработки являются теплая осадка  со степенью деформации 80 % при температуре  700 °С и высокотемпературная осадка со степенью деформации 80 % при температуре  800 °С. Такой выбор оптимальных вариантов обработки подтверждают также результаты исследований тонкой структуры фрагментированной зеренной структуры. Исследование методом просвечивающей электронной микроскопии показало, что во всех заготовках образовалась ячеистая дислокационная структура. По границам ячеек имелись выделения карбидов, что способствует термической стабильности такой структуры материала. Однако качество измельченной структуры при прокатке и осадке было неодинаково. Основное различие проявлялось в степени однородности структурного состояния.

Выводы

И теплая прокатка, и теплая осадка приводят к формированию ультрамелкодисперсной структуры материала заготовок.

На основе анализа микроструктуры и результатов электронно-микроскопического исследования субструктуры был разработан оптимальный режим предварительной пластической деформации (осадка со степенью деформации 80 % при температурах  700-800 °С), при котором обеспечивается среднестатистический размер зерна до 6-7 мкм. Таким образом, формируется ультрамелкодисперсное состояние путем проведения пластической деформации при температурах, близких к температуре рекристаллизации сталей.

 

Литература

1.                 Жигунов К. В., Маленко П. И., Овчинникова Е. Ю. Влияние предварительной пластической деформации на процессы диффузии и порообразования в металлических сплавах //Техника машиностроения. – 2003. – №. 2. – С. 36-38.

2.                 Берштейн  М.Л. Структура деформированных металлов. – М.: Металлургия, 1977. – 431 с.

3.                 Torizuka S., Ohmori A., Murty S.V.S.N., and Nagai K. High Z-large strain deformation processing and its applications // Materials Science Forum. –2006. – 503-504. – P. 329-334.