Investigation of the Effect of Thermal Cycling on the Magnetic and Mechanical Properties of Steels

Full Text

Термоциклирование - множество циклов изменения температуры между заданными экстремальными значениями. В качестве неразрушающего контроля термоциклирование применяется для выявления скрытых дефектов изделий, которые могут проявиться в процессе эксплуатации. Другое применение термоциклирования - термоциклическая обработка металлических изделий (ТЦО). Метод ТЦО как способ термообработки (ТО) основан на постоянном накоплении от цикла к циклу положительных изменений в структуре металлов. При этом важной особенностью цикла является его интенсивность, отсутствие или температурах, а также оптимальный диапазон изменения температуры. ТЦО позволяет существенно повысить конструкционную прочность и снизить металлоемкость изделий и конструкций. ТЦО металлов и сплавов, являясь одной из разновидностей термопластической обработки, имеет два основных технологических направления в повышении долговечности и надежности деталей машин. Первое из них связано с повышением прочности и вязкости разрушения сталей и сплавов многих конструкционных металлических материалов за счет создания в них оптимальной фрагментарной структуры (измельчение зерна, субструктур- ное упрочнение) и снятия напряжений. Другое - с упрочнением поверхностных слоев изделий за счет интенсификации диффузионных процессов. В обоих случаях эффекту термоциклического упрочнения существенно способствуют гетерофазное состояние и использование объемного эффекта фазовых превращений в металлах и сплавах [1]. В последние годы интерес к ТЦО в мире возрос. Анализ публикаций в периодической научной печати и патентов по теме исследования показал, что основные страны-патенто- обладатели по этой теме Япония и Китай (на них приходится 45 % патентов), а наибольшее количество запатентованных решений по ТЦО приходится на 2021 и 2022 гг. В [2] экспериментально доказано, что ТЦО позволяет достигать оптимального сочетания прочности и пластичности в сталях, содержащих никель и марганец за счет измельчения зерна. Эффект термоциклирования применительно к изделиям из композитов рассмотрен в [3]. В результате анализа литературных данных установлено, что многократные полиморфные превращения в стали при ТЦО приводят к фазовому наклепу, измельчению микро- и субзеренной структуры, увеличению плотности дислокаций и дефектов кристаллического строения. Такая структура создает преимущественно деформационное (дислокационное) упрочнение во всем объеме стальной матрицы. Процессы ТЦО являются наиболее эффективными и экономичными способами повышения стойкости режущих и штамповых металлообрабатывающих инструментов. Однако для изменения свойств конструкционных углеродистых сталей эта перспективная технология мало изучена. А вопрос влияния ТЦО на магнитные свойства сталей практически в научной литературе не поднимался. Поэтому в данной работе была поставлена цель - исследовать изменение коэрцитивной силы и твердости сталей при применении различных схем ТЦО. По назначению все процессы ТЦО делятся на две основные группы: 1) предварительная ТЦО для улучшения структуры перед термической и механической обработкой; 2) упрочняющая ТЦО (УТЦО), формирующая структуру закаленной стали с окончательными рабочими свойствами. В современных работах российских и белорусских ученых [4-6] и др. предложена новая классификация известных способов УТЦО. УТЦО может проходить с фазовыми превращениями или без них, с завершенными или незавершенными структурно-фазовыми превращениями при циклическом нагреве и охлаждении, осуществляться по диффузионному, сдвиговому или смешанному механизмам фазовой перекристаллизации, самостоятельно или вместе с другими видами воздействий. По уровню прикладываемых температур можно сгруппировать виды ТЦО сталей в три группы: 1) низкотемпературная (НТЦО), 2) среднетемпературная (СТЦО) и 3) высокотемпературная (ВТЦО). Режимы ТЦО различают по назначению, по характеру структурных превращений, по температурному диапазону термоциклирования [4]. СТЦО предусматривает нагрев в цикле до температуры выше Aс1[5] (но ниже Aс3[6]), при этом нижняя температура цикла может быть ниже Ar13 (при применении маятниковой ТЦО (МТЦО), или быть комнатной (лабораторной) 20 ºС. На рис. 1 показаны основные схемы ТЦО. Маятниковую ТЦО используют для измельчения зерна феррито-перлитных сталей. СТЦО применяется для получения сорбитообразной структуры в среднеуглеродистых улучшаемых сталях, для получения структуры зернистого перлита, уменьшения твердости. ВТЦО часто проводят с закалкой в последнем цикле, обеспечивающей повышенный комплекс механи- ческих характеристик. НТЦО часто применяется для устранения ликвации кремния. Исследовались инструментальные и конструкционные стали - У8А, 40Х, Х12М и сталь 25. Критические точки исследуемых сталей приведены в табл. 1. Для проведения экспериментов использовали следующее оборудование и приборы: 1. Лабораторная печь ПМ-16М-1200-В c микропроцессорными регуляторами температуры «РТ-1200» и «РТ-1250 Т». 2. Стационарный твердомер по измерению твердости по Роквеллу HR-150A. 3. Коэрцитимер (структуроскоп) КИМ-2М. 4. Металлографический микроскоп Bresser Science MTL-201. 5. Пирометр для измерения температур при охлаждении. Исследовались твердость и коэрцитивная сила. Из-за условия проведения эксперимента коэрцитивная сила измерялась перед первым циклом и после последнего 5-го цикла. Размеры образцов 58×35×8 мм, что соответствует размерам ГСО 2192-89, комплект СОКС-1 для измерения магнитных характеристик сталей (рис. 2). Сталь 25 (качественная углеродистая кон- струкционная сталь). Термоциклирование было проведено по 4 различным схемам, рекомендо- ванным в [4; 5]. Результаты эксперимента показаны в табл. 2. 1 ГОСТ 1435-99. Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия. 2 ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия. 3 ГОСТ 5950-2000. Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали. 4 ГОСТ 1577-93. Прокат толстолистовой и широкополосный из конструкционной качественной стали. Технические условия. В исследовании применялись низкотемпературное ТЦО - нагрев до 780 °С и охлаждение до 20 °С); среднетемпературное ТЦО - нагрев до 780 °С, охлаждение до 680 °С, затем охлаждение до 20 °С на спокойном воздухе; высокотемпературное ТЦО - нагрев до 880 °С, охлаждение до 650 °С и повторение цикла. Каждому виду ТЦО соответствовал контрольный образец, который был нагрет до максимальной температуры цикла и охлажден на спокойном воздухе. Изменение твердости и коэрцитивной силы по сравнению с первоначаль- ным состоянием у контрольных образцов произошло в меньшей степени, чем у образцов, подвергнутых ТЦО, что, видимо, объясняется более полным прохождением фазовых процессов при ТЦО. Для проверки результатов работ [7; 8], которые были положены в основу патента [9], был проведен эксперимент по схеме: нагрев при температуре печи 300 ºС со скоростью 1 мм/мин до полного прогрева сечения, выдержка 5 мин после полного прогрева, охлаждение на спокойном воздухе. Цикл повторяли 5 раз. На третьем цикле было зафиксировано резкое увеличение коэрцитивной силы и твердости образцов. Исследование микроструктуры после ТЦО показало, что произошла частичная сфероидизация перлита, несмотря на то что ТЦО проходило ниже линии PSK диаграммы «железо - цемен- тит», на которой происходит первое фазовое превращение при нагреве (рис. 3). Аналогичное явление - повышение твердости и ударной вязкости при термоциклировании вблизи точки Кюри цементита (210 °С) было установлено и в работах белорусских ученых научной школы профессора А.А. Шматова, который выявил этот эффект экспериментально и аналитически, решая уравнение Фоккера - Планка и опираясь на данные работ [10-12] для нанокластерного образования зернистого цементита Fe3C, эксперимент проводился на стали У8 (рис. 4). В [13-15] экспериментальным путем установлено, что зернистый перлит обладает более высокими значениями коэрцитивной силы, чем пластинчатый. Пока можно только зафиксировать этот факт и предположить, что граница зерен зернистого перлита имеет большую протяженность, что влияет на процесс намагничи- вания. Обобщенные результаты исследования ТЦО исследуемой стали показаны на рис. 5 - зависимость твердости и рис. 6 - коэрцитивной силы от числа циклов ТЦО (конечные значения коэрцитивной силы для высокотемпературного и маятникового ТЦО для исследуемой стали совпали). Также был проведен эксперимент по закалке в воду стали 25, который показал, что закалка исследуемых образцов повысила исследуемые свойства (в 2,5 раза), несмотря на недостаточное для этого количество углерода. Вопрос нуждается в дальнейшем изучении. Сталь У8А. Сталь имеет эвтектоидную структуру в равновесном состоянии. ТЦО проводилась по схеме нагрев до 750 °С и охлаждение на спокойном воздухе до температуры 20 °С (5 циклов). Графическое представление полученных результатов показано на рис. 7. На третьем цикле сталь показала скачок свойств. Данные полностью соответствуют результатам работы [6], где данное явление объясняется следующим образом: при ТЦО конкурируют два взаимно противоположных процесса: растворение цементитных фаз, с одной стороны; укрупнение и зародышеобразование включений цементита, - с другой, в результате чего после проведения ТЦО эвтектоидной стали формируется композиционная структура, состоящая из двух видов зерен с большой и малой концентрациями углерода. Стали с содержанием хрома. Для стали 40Х применен маятниковый тип ТЦО, для стали Х12МФ - высокотемпературное ТЦО. При этих схемах невозможны промежуточные замеры. У стали Х12МФ коэрцитивная сила уменьшилась на пятом цикле с 580 до 470 А/м, у стали 40Х - с 200 до 130 А/м. ТЦО имеет ряд преимуществ перед стандартными термическими обработками, у которых ограниченное число параметров - температура, время выдержки, скорость нагрева, скорость охлаждения. Возможности совершенствования этих технологий практически исчерпаны. При ТЦО число параметров больше - добавляются число циклов, температуры цикла верхняя и нижняя. Можно варьировать и сами циклы. Важным технологическим моментом при проведении ТЦО являются высокие скорости нагрева. Одним из неожиданных результатов исследования явилось то, что зернистый перлит обладает существенно большей коэрцитивной силой, чем перлит пластинчатый. Это явление также зафиксировано учеными Института физики металлов УрО РАН при исследовании эвтектоидной стали с различными формами перлита. Данный вопрос нуждается в дальнейшем исследовании, а явление должно найти свое практическое применение. 1. При проведении экспериментов были исследованы стали различного назначения: инструментальные - углеродистая У8А, легированная Х12МФ, конструкционные - углеродистая сталь 25, легированная 40Х. Исследованы маятниковое, низкотемпературное, среднетемпературное, высокотемпературное ТЦО и ТЦО вблизи точки Кюри цементита (для стали 25). 2. Для стали 25 все стандартные виды ТЦО показали падение исследуемых свойств. Такой же результат показали стали 40Х и Х12МФ. Кроме того, для стали 25 было проведено ТЦО вблизи точки Кюри цементита. На третьем цикле сталь показала скачок свойств. Исследование структуры выявило, что произошла частичная сфероидизация перлита, несмотря на то что ТЦО проходило ниже линии PSK. Также был проведен эксперимент по закалке в воду стали 25, который показал, что закалка исследуемых образцов повысила исследуемые свойства (2,5 раза), несмотря на недостаточное для этого количество углерода. Вопрос нуждается в дальнейшем изучении. 3. Для стали У8А был проведен эксперимент, который подтвердил выводы ученых белорусской школы, занимающихся исследованием применения ТЦО для инструментальных сталей, под руководством А.А. Шматова. На третьем цикле при нагреве выше Ас[7] на 30 °С охлаждение до температуры 20 °С произошло резкое увеличение исследуемых свойств.

About the authors

Anna V. Kornilova

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: anna44@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5569-9320
SPIN-code: 6569-6240

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Testing of Structures

Moscow, Russia

References

Supplementary files