Введение
В условиях сложного нагружения работа конструкций и машин должна сопровождаться контролем механических, преимущественно прочностных, свойств металла, поэтому вопрос неразрушающего контроля этих свойств имеет важное практическое значение. Процесс нагружения сопровождается изменением механических напряжений в большом диапазоне, а следовательно, в этих условиях упругие напряжения и температурный нагрев могут изменить структуру материала за счет перераспределения углерода. В работе [3] предложена концепция структурного карбидного конструирования сталей на микроуровне, что дает возможность формирования ряда свойств вязкопрочной стали. В статье приведен режим умеренно-температурных (390 — 485°С) технологий коагуляции карбидов, однако, структурные процессы, связанные с перераспределением карбидов на границе зерен доменов, продолжают идти и при более высоких температурах, что представляют едва ли не больший интерес с практической точки зрения.
К настоящему времени остается не до конца выясненным, что именно является управляющим фактором в процессе карбидного конструирования: режим термической обработки, химический состав или же что-то другое. Ответ на этот вопрос открывает возможность создания структуры с заданными свойствами за счет перераспределения углерода.
Цель настоящей работы: исследование влияния термической обработки на магнитные и механические характеристики стали 10ХСНД и разработка практических рекомендаций по неразрушающему контролю этих свойств по изменению магнитных параметров материала.
Методика проведения исследований
Сталь 10ХСНД имеет химический состав, представленный в таблице 1.
| Кремний (Si) % | Медь (Cu) % | Мышьяк (As) %, не более | Марганец (Mn) % | Никель (Ni) % | Фосфор (P) %, не более | Хром (Cr) % | Азот (N) % , не более | Сера (S) %, не более |
| 0,8-1,1 | 0,4-0,6 | 0,08 | 0,5-0,8 | 0,5-0,8 | 0,035 | 0,6-0,9 | 0,008 | 0,04 |
Для исследований были изготовлены образцы в виде пластин толщиной 10 мм и размерами 75×75 мм для определения коэрцитивной силы, твердости и тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния. Все образцы были подвергнуты закалке от 950°С и отпуску при 600, 640, 680 и 720°С с последующим охлаждением в воде. После термической обработки проводились магнито-механические испытания: измеряли коэрцитивную силу, тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля рассеяния до и после ударного нагружения, твердость. Зависимость предела прочности при растяжении и предела текучести от температуры отпуска были взяты из марочника сталей.
Для контроля за изменением карбидно-ферритной фазы были получены микрофоторгафии на оптическом микроскопе.
Результаты исследований и их обсуждение
На рис.1 показана аустенитная структура стали, закаленной от 950°С.
Рис. 1 Структура сорбита отпуска в стали 10ХСНД после закалки от 950°С и отпуске а) при 600°С; б) 640°С; в) 680°С; г) 720°С.
Данные рис. 1 показывают, что структура стали после высокотемпературного отпуска меняется с образованием сорбита отпуска. При более высоких температурах отпуска структура – мартенсит распадается на однородную феррито-карбидную смесь, содержащую карбидные включения. Эволюция размеров карбидных включений хорошо видна на рис.1, причем на рис. 1а – 1в заметно улучшение структурного перераспределения карбидов, т.е. области карбидов становятся более распределенными и уменьшаются в размерах. Структура сорбита отпуска наиболее однородна на рис. 1в, при дальнейшем повышении температуры отпуска наблюдается процесс коалесценции – мелкие карбидные монокристаллы «исчезают», поглощаясь более крупными, структурные перестройки карбидов опять становятся более значительными по размерам.
На рис.2 представлена зависимость коэрцитивной силы от температуры отпуска. Видно, что до температур 600°С происходит почти монотонное убывание параметра, вплоть до температуры отпуска 720°С, при дальнейшем увеличении температуры наблюдается резкий скачок. Подобным образом ведет себя и такой параметр как удельное сопротивление (рис. 3). Скачок удельного сопротивления в области высоких температур отпуска указывает на роль термодефектов, которые были генерированы с участием углерода. Механизм этих явлений в сталях мало изучен.
Обычно, когда делают термическую обработку, управляющим параметром является твердость, однако, как показывают данные рис. 4 а, твердость с увеличением температуры отпуска практически монотонно падает и перераспределения карбидов и их размеров «не чувствует», так же как и предел прочности и предел текучести, изменения которых с температурой отпуска приведены на рис. 4 б.
На графике, приведенном на рис. 5, представлена зависимость изменения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния от температуры отпуска. На кривой хорошо виден максимум при температуре отпуска 600°С, затем заметен резкий спад параметра с увеличением температуры отпуска, следовательно по изменению тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния можно судить о структурной перестройке с участием углерода и термодефектов.
Рис.2 Зависимость коэрцитивной силы Нс от температуры отпуска закаленной при t = 950℃ и отпущенной в интервале температур от 300 ÷ 800 ℃ для стали 10ХСНД по данным справочника [2];
Рис.3 Зависимость удельного сопротивления от температуры отпуска закаленной при t = 950℃ и отпущенной в интервале температур от 300 ÷ 800 ℃ для стали 10ХСНД: а) по данным справочника [2];
Рис.4 Зависимость твердости (рис.а); предела прочности при растяжении σᵦ и предела текучести σ₀,₂ стали 10ХСНД,закаленной от 900 ̊Ϲ (рис.б) от температуры отпуска.
Рис.5 — Зависимость магнитоупругого изменения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния
от температуры отпуска для стали 10ХСНД
Выводы
- В работе показано, что наряду с известными механизмами изменения структуры материала с увеличением температуры отпуска, существуют иные механизмы, в которых значительна роль термодефектов. Выявление роли последних в структурных превращениях требует проведения дополнительных исследований.
- Такой магнитный параметр как изменение тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния отслеживает изменение структуры за счет перераспределения углерода и может быть использован в экспресс-анализе как индикатор неразрушающего контроля механических свойств стали.
Список литературы
- Новиков В.Ф., Бахарев М.С. Магнитная диагностика механических напряжений в ферромагнетиках. Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2001. 219 с.
- Бида Г.В., Ничипурук А.П. Магнитные свойства термообработанных сталей. Рос. акад. наук, Урал. отд-ние, Ин-т физики металлов. Екатеринбург,2005.
- Горынин В.И., Кондратьев С.Ю., Оленин М.И., Рогожкин В.В. Концепция карбидного конструирования сталей повышенной хладостойкости // МиТОМ. 2014. № 10. С. 32-38.
- Горынин В.И., Кондратьев С.Ю., Оленин М.И. Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению перлитных и мартенситных сталей при термическом воздействии на морфологию карбидной фазы // МиТОМ. 2013. № 10. С. 22-29.
- Пахаруков Ю.В., Оксенгендлер Б.Л., Юнусов М.С. и др. Элементарные атомные процессы и электронная структура дефектов в полупроводниках. Ташкент: Фан – 1986, 174 с.
- Пахаруков Ю.В., Оксенгендлер Б.Л., Лапина Н.А. и др. Теоретические аспекты радиационной физики неупорядоченных сред // Радиационные дефекты в гетерогенных многокомпонентных системах. Ташкент: Фан – 1986, с. 3-56.
- Титова Т.И., Цеменко В.Н., Ратушев Д.В. Структура и свойства высокохромистой стали мартенситного класса после термической обработки. // МиТОМ. 2013. № 10. С. 48-52.[schema type=»book» name=»Влияние термической обработки на магнитные и механические свойства стали 10ХСНД» description=»Исследовано влияние термической обработки на механические и магнитные свойства стали 10ХСНД и морфология карбидов, трансформирующихся при термической обработке, на механические и магнитные свойства. Предложен метод определения структурных изменений при экспресс-анализе по изменению магнитоупругой составляющей магнитного поля рассеяния.» author=»Чехунова Анна Михайловна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-05″ edition=»euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)» ebook=»yes» ]