Структура и свойства проката из низколегированной стали при форсированных режимах нагрева под закалку и отпуск

Термическое упрочнение проката и труб большого диаметра осуществляется преимущественно с ускоренным нагревом под закалку и последующим кратковременным отпуском. Авторы совместно с Н. И. Карчевской исследовали параметры форсированных режимов термического упрочнения, обеспечивающих оптимальную структуру с допустимым содержанием полигонального феррита в закаленной и отпущенной модифицированной стали типа 17Г1С.

Нагрев образцов до 920° С осуществляли за 10-12 мин, а затем охлаждали их со скоростями 15, 40 и 100° С/с, что обеспечивало в структуре после закалки 50, 30 и 15 % полигонального феррита соответственно. Температуру последующего отпуска меняли от 640 до 720° С без выдержки при этих температурах.

Тонкую структуру феррита и процессы карбидного выделения изучали методом просвечивающей электронной микроскопии. Шлифы для исследования приготовляли химической полировкой в растворе H₂O₂ + HF.

Установлено, что при v_охл = 15° С/с в структуре содержится 50% феррита, и после отпуска при 640° С заметных изменений в структуре стали не происходит. Как тело, так и границы ферритных зерен остаются свободными от карбидных выделений. В перлитных колониях наблюдается протекание начальных стадий дробления цементитных пластин. При таком структурном состоянии сталь имеет аи менее 600 Н/мм² и ударную вязкость 55 Дж/см².

После отпуска при 680° С в теле и на границах ферритных зерен появляются отдельные карбидные частицы размером до 0,1 мкм. В перлитных зонах дробление цементита значительно интенсифицируется, некоторые карбидные частицы приобретают сферическую форму. Вследствие дробления цементитной фазы возрастает ударная вязкость: при —40° С она составляет примерно 70 Дж/см².

После отпуска при 720° С на границах ферритных зерен образуются сплошные цепочки карбидных выделений. В перлите завершается дробление и значительно интенсифицируется сфероидизация карбидов. При этом морфология карбидов в феррите не меняется. Прочность стали по мере образования на границах зерен сплошных цепочек карбидов несколько снижается.

Уменьшение количества полигонального феррита в структуре перед отпуском от 50 % до 30 % заметно изменяет кинетику карбидовыделения в процессе отпуска. Значительное выделение карбидов по границам зерен начинается уже после отпуска при 640° С. Повышение температуры отпуска до 680° С приводит к интенсивному карбидообразованию в теле ферритных зерен; на границах феррита образуются сплошные цепочки карбидных частиц. После отпуска при 680° С возрастает на 30-50 Н/мм², при этом ударная вязкость падаете 70 до 50 Дж/см². При температурах отпуска выше 680° С начинается растворение карбидной фазы и рекристаллизация феррита, при этом вновь образующиеся зерна феррита значительно мельче первоначальных. При температуре отпуска 720° С эти процессы можно считать завершенными. При этом прочность повышается, что связано со значительным измельчением зерна и с обогащением феррита углеродом. Освобождение границ и тела ферритных зерен от карбидов приводит к резкому возрастанию ударной вязкости стали.

С увеличением скорости охлаждения при закалке до 100° С/с количество полигонального феррита в структуре снижается до 15%, и структура состоит в основном из бейнит-но-мартенситной смеси. Карбиды, выделяющиеся при отпуске такой матрицы, более дисперсны и расположены на границах исходных мартенситных реек и ферритных зерен в виде цепочек, а также в теле ферритных зерен. Прочностные свойства в данном состоянии имеют максимальные значения. После отпуска при 680° С значительно интенсифицируется выделение и коагуляция карбидной фазы в исходной структуре феррита и мартенсита, снижается на 100 Н/мм².

Дальнейшее повышение температуры отпуска вызывает в мартенсите начало полигонизации, а в феррите начальную стадию рекристаллизации (образование отдельных равноосных стыков зерен, свободных от выделения карбидов). В теле ферритного зерна начинается растворение карбидной фазы. Временное сопротивление разрыву стали в этом состоянии снижается до 650 Н/мм² при заметном повышении ударной вязкости.

Следовательно, требуемое сочетание прочности и вязкости обеспечивается структурой стали, состоящей из полигонизованного мартенсита и ре кристаллизованного феррита, если образование последнего невозможно предотвратить в процессе закалки.

Таким образом, можно сделать вывод, что при существующих условиях оптимальный режим термического упрочнения стали 17Г1С заключается в закалке стали с 920° С и последующем кратковременном отпуске при 640-660° С. При этом в структуре стали имеется не более 30 % полигонального феррита, границы зерен которого практически свободны от карбидов.