Effect of electrolyte-plasma surface hardening on the structural-phase state of ferrite-perlite class steel.pdf Введение Разработка и внедрение новых ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих повышение качественных показателей продукции, во многом определяют эффективное развитие отраслей промышленности. Стабильная и эффективная работа машиностроительного производства невозможна без использования новых технологий, обеспечивающих получение необходимого комплекса прочностных и пластических свойств конструкционных сталей. Это требует понимания природы процессов, протекающих в сталях. Выяснение физических механизмов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний в сталях и является одной из важных задач современной физики конденсированного состояния и материаловедения, так как лежит в основе разработки и создания эффективных способов повышения служебных характеристик. В большинстве случаев долговечность машин и механизмов зависит от износостойкости деталей, многие из которых испытывают значительные знакопеременные ударные нагрузки. В этих случаях детали должны обладать, главным образом, высокой прочностью и твердостью поверхностного слоя, сочетающимися с достаточной вязкостью сердцевины. Достичь этого можно применением различных способов поверхностного упрочнения. Одним из таких способов является поверхностная закалка. Поверхностная закалка достигается за счет кратковременного нагрева поверхностного слоя металла до температуры закалки и последующего быстрого охлаждения. На сегодняшний день в промышленном производстве применяются различные способы поверхностной закалки [1-11], одним из которых является электролитно-плазменная поверхностная закалка [12-14], отличающаяся тем, что у детали нагревается вся поверхность, находящаяся в растворе. При этом нагрев происходит довольно быстро, и в зависимости от времени нагрева можно регулировать глубину слоя закалки. Однако в работах основное внимание уделялось влиянию поверхностной закалки на механические и трибологические свойства, и практически полностью отсутствовал анализ влияния на структурно-фазовое состояние материала. Цель настоящей работы - исследование эволюции структурно-фазового состояния стали феррито-перлитного класса ст2 под действием электролитно-плазменной поверхностной закалки. Основное внимание уделено количественным изменениям фазового состава и тонкой структуры стали в поверхностном слое, образующемся в результате закалки. Материал и методы исследования Материалом исследования служила сталь феррито-перлитного класса ст2, химический состав которой, согласно ГОСТ 398-96: (0.57-0.65) вес. % С, (0.60-0.90) вес. % Mn, (0.22-0.45) вес. % Si, не более 0.15 вес. % V, не более 0.04 вес. % S, не более 0.035 вес. % P. В исходном состоянии ст2 представляла собой материал, прошедший закалку от температуры 890 С (2-2.5 ч) с охлаждением в теплую (30-60 С) воду и последующий отпуск при температуре 580 (2.5-3 ч). Поверхностная закалка осуществлялась в электролите состава: 10 % карбамид (NH2)2CO + 20 % карбонат натрия Na2CO3 + 70 % вода в течение 4 с, при температуре 850-900 С, напряжении 320 В, силе тока 40 A. Изучение структуры и фазового состава стали проводилось методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на тонких фольгах с применением электронного микроскопа ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 125 кВ. Исследование проведено до (исходное состояние) и после поверхностной закалки вблизи поверхности образца. Фазовый анализ проводился по изображениям, подтвержденным микродифракционными картинами и темнопольными изображениями, полученными в соответствующих рефлексах. Изображения тонкой структуры, полученные при просмотре в электронном микроскопе, были использованы, во-первых, для классификации морфологических признаков структуры, во-вторых, для определения присутствующих фаз, а также мест их локализации и, в-третьих, для определения параметров тонкой структуры материала (скалярной и избыточной плотности дислокаций, амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки и амплитуды внутренних напряжений). Расчет всех параметров тонкой структуры проводился по стандартным методикам. Исходное состояние стали Проведенные исследования показали, что в исходном состоянии матрица стали представляет собой -фазу - твердый раствор углерода и легирующих элементов в -Fe с ОЦК-кристалличес¬кой решеткой. Морфологическими составляющими -фазы являются пластинчатый перлит и феррит (рис. 1). Пластинчатый перлит, объемная доля PV которого составляет 35 %, практически идеальный (рис. 1, а), феррит присутствует в виде нефрагментированного (рис. 1, б) и фрагментированного (рис. 1, в). Объемная доля нефрагментированного феррита составляет ~ 10 %, фрагментированного ~ 55 %. Рис. 1. Типы морфологических составляющих в стали марки ст2 в исходном состоянии: а - пластинчатый перлит; б - нефрагментированный феррит; в - фрагментированный феррит Дислокационная структура как в перлите, так и в феррите представлена плотными дислокационными сетками. Средняя величина скалярной плотности дислокаций () в каждой морфологической составляющей структуры приведена в табл. 1. Как следует из табл. 1, наибольшей величиной  обладает фрагментированный феррит, наименьшей - -фаза пластинчатого перлита. Величина средней скалярной плотности дислокаций в материале составляет 2.51010 см-2. Дислокационная структура во всех морфологических составляющих поляризована, то есть присутствующие в материале дислокации в основном являются избыточными [15]. На это указывает наличие во всем материале изгибных экстинкционных контуров. По размерам изгибных экстинкционных контуров для каждой морфологической составляющей, а также в целом по материалу были рассчитаны следующие количественные параметры тонкой структуры: амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки , избыточная плотность дислокаций ± и амплитуда внутренних дальнодействующих (локальных) напряжений д, созданных избыточной плотностью дислокаций. По данным  была рассчитана амплитуда внутренних напряжений сдвига (напряжений, создаваемых дислокационной структурой, то есть дислокациями «леса») с. Полученные значения представлены в табл. 1. Как следует из табл. 1, во-первых, самые высокие количественные параметры оказались во фрагментированном феррите, самые низкие - в перлите. Во-вторых, во всем материале выполняются условия:  > ± и с > д. Это означает, что изгиб-кручение (искажение) кристаллической решетки ст2 в исходном состоянии носит чисто пластический характер, который не приводит к образованию микротрещин в материале [16]. Таблица 1 Средние количественные параметры тонкой структуры в перлите и феррите, а также в целом по материалу в исходном состоянии ст2 Морфологическая составляющая Средние количественные параметры тонкой структуры PV , см-2 ±, см-2 , см-1 с, МПа д, МПа Перлит 35% 2.11010 1.41010 360 285 240 Нефрагментированный феррит 10% 2.61010 1.51010 365 320 240 Фрагментированный феррит 55 2.91010 2.81010 690 340 330 В целом по материалу 100 2.51010 2.11010 525 315 285 Структура стали после поверхностной закалки Поверхностная закалка привела к мартенситному превращению, то есть к образованию пакетно-пластинчатого мартенсита: пакетного (или реечного) и пластинчатого (низкотемпературного и высокотемпературного) [17]. Пакетный (или реечный) мартенсит (рис. 2, а) представляет собой структурное образование, состоящее из набора практически параллельных друг другу кристаллов (реек) вытянутой формы, образующих пакет. По-видимому, формирование пакетного мартенсита происходило из фрагментированного феррита. На это указывает тот факт, что объемная доля пакетного мартенсита составляет 60 %, то есть практически столько, сколько в исходном состоянии было фрагментированного феррита. Рис. 2. Типы морфологических составляющих в стали марки ст2 после электролитно-плазменной поверхностной закалки: а - пакетный (реечный) мартенсит; б - пластинчатый низкотемпературный мартенсит; в - пластинчатый высокотемпературный мартенсит Пластинчатый низкотемпературный мартенсит, объемная доля которого составляет 10 %, представляет собой достаточно крупные, отдельно расположенные кристаллы мартенсита (пластины) с дислокационной структурой (рис. 2, б). Сравнение с исходным состоянием стали показывает, что пластинчатый низкотемпературный мартенсит, вероятнее всего, сформировался из не- фрагментированного феррита, объемная доля которого также составляла 10 %. Пластинчатый высокотемпературный мартенсит, объемная доля которого составляет 30 %, представляет крупные, отдельно расположенные кристаллы мартенсита (пластины), нередко простирающиеся через все зерно, а также кристаллы произвольной формы, которые не имеют четкой огранки и у которых отсутствуют собственные границы раздела (рис. 2, в). Вероятно, он сформировался из пластинчатого перлита. Проведенные исследования показали, что поверхностная закалка привела не только к мартенситному превращению, но и к выделению остаточного аустенита (-фазы), обладающего ГЦК-кристаллической решеткой. В пакетном мартенсите остаточный аустенит присутствует на границах мартенситных реек в виде длинных тонких прослоек, в пластинчатом низкотемпературном мартенсите - как на границах пластин в виде длинных тонких прослоек, так и внутри пластин в виде «игл», образующих колонии двойникового типа, в пластинчатом высокотемпературном - только внутри пластин в виде «игл», также образующих колонии двойникового типа. Ранее было доказано, что в пакетном и пластинчатом (низкотемпературном и высокотемпературном) мартенсите уже в процессе закалки образуются частицы цементита Fe3C (так называемый мартенсит «самоотпуска») [17], который приводит к выделению карбидных частиц - цементита внутри мартенситных кристаллов. Образующиеся при «самоотпуске» частицы цементита по форме, местам образования и кристаллогеометрическим характеристикам подобны частицам цементита, выделяющимся при отпуске стали. При этом размеры частиц выделившегося цементита, их объемная доля и взаимное расположение зависят от типа мартенсита [17]. Проведенные исследования показали, что в ст2 после поверхностной закалки внутри всех мартенситных кристаллов присутствуют частицы цементита тонкой пластинчатой формы, расположенные в двух и трех направлениях относительно оси мартенситного кристалла. Установлено, что самые мелкие частицы цементита образуются в пакетном «самоотпущенном» мартенсите, самые крупные - в пластинчатом высокотемпературном. Таким образом, поверхностная закалка ст2 привела не только к мартенситному превращению, но и к «самоотпуску» стали. Кроме цементита в структуре стали присутствуют также частицы карбидов специального типа М23С6, обладающие кубической кристаллической решеткой. Эти карбиды обнаружены на границах мартенситных реек, а также внутри пластин низкотемпературного и высокотемпературного мартенсита. На основании проведенных исследований можно утверждать, что частицы карбида типа М23С6, расположенные на границах мартенситных кристаллов, выделяются из -фазы. Доказательством этому может служить то, что наблюдаются они внутри прослоек остаточного аустенита, а на микродифракционных картинах, полученных с границ мартенситных кристаллов, наряду с рефлексами фазы типа М23С6 всегда присутствуют рефлексы -фазы. Внутри пластин низкотемпературного и высокотемпературного мартенсита в тех участках материала, где присутствует -фаза в виде колоний двойникового типа, также обнаружены частицы фазы типа М23С6 (на микродифракционных картинах присутствуют рефлексы -фазы и рефлексы фазы типа М23С6). После поверхностной закалки обнаружены также частицы карбидов М23С6, не связанные с -фазой. Обнаружены они в пластинах высокотемпературного мартенсита на дислокациях -фазы. Таким образом, можно утверждать, что выделение специальных карбидов фазы М23С6 обусловлено, во-первых, распадом остаточного аустенита и мартенсита, во-вторых, частичным растворением цементита и, в-третьих, уходом углерода с дислокаций и границ кристаллов -фазы. То есть во всех случаях углерод из остаточного аустенита, -твердого раствора, частиц цементита и дефектов кристаллической решетки образует специальные карбиды. Также необходимо отметить, что интенсивность протекания процессов распада твердых растворов  и , а также образование карбидной фазы в различных структурных составляющих -фазы (в пакетном мартенсите, внутри пластин низкотемпературного и высокотемпературного мартенсита) различна. Различна она и внутри каждой структурной составляющей. Это зависит от многих факторов. К таким факторам, в частности, относится и состояние исходного материала (в том числе степень фрагментированности материала и тип образующихся фрагментов) [18]. Дислокационная структура во всех структурных составляющих мартенсита представляет плотные дислокационные сетки. Средняя величина скалярной плотности дислокаций () в каждой морфологической составляющей мартенсита приведена в табл. 2. Как следует из табл. 2, наибольшей величиной  обладает пакетный мартенсит, наименьшей - пластинчатый высокотемпературный мартенсит. Это также может служить подтверждением того, что пакетный мартенсит сформировался из фрагментированного феррита, в котором среднее значение  имело наибольшую величину, а пластинчатый высокотемпературный мартенсит - из пластинчатого перлита, в котором среднее значение  имело наименьшую величину. Дислокационная структура во всех структурных составляющих мартенсита поляризована. На это указывает наличие во всех мартенситных кристаллах изгибных экстинкционных контуров. Для каждой морфологической составляющей (в пакетном, пластинчатом низкотемпературном и высокотемпературном мартенсите), а также в целом по материалу после поверхностной закалки по данным  и размерам изгибных экстинкционных контуров, как и в исходном состоянии стали, были рассчитаны количественные параметры тонкой структуры: , ±, д и с, средние значения которых представлены в табл. 2. Таблица 2 Средние количественные параметры тонкой структуры в пакетном, пластинчатом низкотемпературном и высокотемпературном мартенсите, а также в целом по материалу после электролитно-плазменной поверхностной закалки ст2 Морфологическая составляющая Средние количественные параметры тонкой структуры PV , см-2 ±, см-2 , см-1 с, МПа д, МПа Пакетный мартенсит 60% 3.31010 2.61010 650 365 320 Пластинчатый низкотемпературный мартенсит 10% 2.51010 1.91010 465 315 270 Пластинчатый высокотемпературный мартенсит 30 2.31010 1.61010 410 305 255 В целом по материалу 100 2.91010 2.21010 560 340 295 Как следует из табл. 2, во-первых, самые высокие количественные параметры оказались в пакетном мартенсите, самые низкие - в пластинчатом высокотемпературном мартенсите. Во-вторых, поверхностная закалка привела к увеличению всех параметров тонкой структуры и тем не менее во всем материале выполняются условия:  > ± и с > д. Это означает, что изгиб-кручение (искажение) кристаллической решетки ст2 после поверхностной закалки, как и в исходном состоянии, носит чисто пластический характер, который не приведет к образованию микротрещин в материале. Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что в поверхностной зоне образца ст2 после поверхностной закалки структура стали состоит из - и -фазы и карбидов (цементита и карбидов типа М23С6). Сталь представляет собой феррито-карбидную смесь. Однако, как показали электронно-микроскопические исследования, в этой структуре всегда присутствуют границы, унаследованные от мартенситной структуры. Поэтому данную структуру можно называть еще и пакетно-пластинчатым мартенситом отпуска или, иными словами, отпущенным мартенситом. Заключение Исследования, проведенные методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии, показали, что электролитно-плазменная поверхностная закалка стали феррито-перлитного класса ст2 привела: 1) к мартенситному превращению; 2) к «самоотпуску» стали (выделению частиц цементита внутри всех кристаллов мартенсита); 3) к диффузионному   -превращению и выделению остаточного аустенита (-фазы) по границам реек и пластин низкотемпературного мартенсита и внутри всех кристаллов пластинчатого мартенсита; 4) к выделению частиц карбидов типа Ме23С6, обусловленному распадом остаточного аустенита и мартенсита, частичным растворением цементита и уходом углерода с дислокаций, границ и субграниц кристаллов -фазы; 5) к увеличению всех параметров тонкой структуры стали; 6) изгиб-кручение (искажение) кристаллической решетки ст2 после электролитно-плазменной поверхностной закалки, как и в исходном состоянии, носит чисто пластический характер.

Скачать электронную версию публикации