Тема: ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ОБРАБОТОК НА СТРУКТУРУ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И СЛУЖЕБНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАСТАБИЛЬНЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ НА Fe-Cr-Ni-ОСНОВЕ

Актуальность темы исследования. Создание новых технологий связано непосредственно с качественным улучшением свойств и служебных характеристик материалов, в частности, сталей и сплавов. Среди них особое место занимают пружинные стали и сплавы, используемые для изготовления упругих элементов ответственного назначения, предназначенных для работы в широком интервале температур. Кроме высоких характеристик прочностных и упругих свойств, стали для пружинных изделий ответственного назначения должны обладать достаточно высокой технологичностью, повышенной усталостной и коррозионной стойкостью. Важным качеством пружинных материалов является их теплостойкость, т.е. способность противодействовать развитию релаксации напряжений, что обеспечивает сохранение силовых параметров упругих элементов в процессе эксплуатации при повышенных температурах.
В качестве основного материала для пружин ответственного назначения используются хромоникелевые аустенитные стали типа 18-10, а для особо ответственных изделий - сложнолегированные мартенситно-стареющие стали и сплавы. Однако стали вышеуказанных классов не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для подобных целей: стали аустенитного класса обладают невысокой релаксационной стойкостью (до 250-300 °С) и недостаточной технологичностью и пластичностью для получения высокопрочной проволоки с применением высоких степеней холодной пластической деформации, стали мартенситно-стареющего класса характеризуются низким коэффициентом деформационного упрочнения.
В качестве материала исследования выбраны практически безуглеродистые метастабильные аустенитные стали 03Х14Н11К5М2ЮТ и 03Х14Н11КМ2ЮТ. Эти стали, в связи с особенностями легирования, обладают высокой технологичностью и пластичностью в исходном закаленном состоянии, что позволяет проводить на них холодную пластическую деформацию с чрезвычайно высокими степенями обжатия и получать высокопрочное состояние.
Однако при производстве высокопрочной проволоки больших и средних сечений применение высоких суммарных степеней обжатия нецелесообразно, т.к. диаметр исходной горячекатаной заготовки имеет свои ограничения (8,0 мм или 6,0 мм), а использование холодной пластической деформации приводит к уменьшению сечения проволоки. В настоящее время большое внимание исследователей (Р.З. Валиева, Г. И. Рааба, И.В. Александрова, С.В. Добаткина и др.) привлекает получение нанокристаллических (НК) и субмикрокристаллических (СМК) структур, полученных в сплавах методами интенсивных (больших) пластических деформаций (ИПД) в связи с возможностью повышения в них прочности в 2-5 раз. Поэтому для производства высокопрочной проволоки больших и средних сечений в данной работе была предложена комбинированная деформационная обработка, сочетающая в себе равноканальное угловое прессование (РКУП), позволяющее упрочнять металл без изменения поперечного сечения заготовки за счет деформации сдвига высокой интенсивности, с последующим формоизменением (волочением) до нужного типоразмера при температуре ниже температуры рекристаллизации обрабатываемого металла. Использование подобной обработки для получения высокопрочных заготовок, предназначенных для изготовления пружин ответственного назначения является актуальной задачей данного исследования.
Степень разработанности темы исследования. В ранее проведенных исследованиях было показано, что изучаемые стали обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью в сочетании с пластичностью и технологичностью, что позволяет использовать данные стали в производстве тонкой проволоки и ленты для пружин и упругих элементов. Были проанализированы процессы, протекающие в сталях в интервале возможных температур закалки, описаны структурные изменения в сталях при холодной пластической деформации, предложены оптимальные режимы производства высокопрочной тонкой проволоки. Однако не были изучены структурно-фазовые превращения, протекающие при разных видах ИПД, в том числе в ходе РКУП, а также в результате вышеуказанной комбинированной обработки (РКУП + волочение). Недостаточно внимания было уделено изучению таких важных для пружинных материалов характеристик, как сопротивление малым пластическим деформациям и релаксационная стойкость. Кроме того, особый интерес составляет рассмотрение поведения сталей при отрицательных и повышенных температурах, что соответствует возможным областям применения изделий из высокопрочных сталей ответственного назначения, в том числе пружин.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Металловедение» ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в рамках: аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме № 2243 (НИР №1.2243.11); федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы по теме № 62245 (НИР №16.740.11.0505); НИР № 2014/236 на выполнение Госработ в сфере научной деятельности в рамках базовой части Госзадания № 2480 Минобрнауки РФ; Программы развития УрФУ для победителей конкурса «Молодые ученые УрФУ» 2013, 2014 гг.
Целью данной работы явилось исследование возможных механизмов структурообразования, фазового состава, физико-механических и служебных свойств сталей аустенитного класса 03Х14Н11К5М2ЮТ и 03Х14Н11КМ2ЮТ на разных этапах термической и деформационных обработок методами ИПД (в том числе комплексной деформационной обработки).
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Установление температурных интервалов и последовательности процессов образования и растворения интерметаллидных фаз для обоснованного выбора режимов горячей пластической деформации.
2. Определение деформационных режимов формирования СМК структуры в ходе РКУП и исследование структурно-фазовых превращений в процессе РКУП и последующего нагрева.
3. Исследование механических свойств и эволюции СМК структуры аустенитных сталей, сформированной в ходе РКУП с последующим волочением.
4. Изучение релаксационной стойкости исследуемых аустенитных сталей после оптимальной температурно-деформационной обработки при температурах возможной эксплуатации от криогенных до повышенных (400 °С).
Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается в том, что в результате комплекса экспериментальных исследований впервые были получены новые научные результаты на исследуемых метастабильных аустенитных сталях:
1. Показано, что в результате изотермической выдержки при 750 °С в течение 1 ч перегретой аустенитной стали 03Х14Н11К5М2ЮТ наблюдается снижение горячей деформируемости, что связано с выделением 5-феррита, упрочненного интерметаллидными частицами МЛ1.
2. Установлено, что ходе РКУП при 400 °С в исследуемых метастабильных аустенитных сталях 03Х14Н11К5М2ЮТ и 03Х14Н11КМ2ЮТ не протекают фазовые превращения, упрочнение материала происходит преимущественно за счет измельчения исходной аустенитной структуры до субмикрокристаллических размеров фрагментов (100-200 нм).
3. Доказано, что при холодной пластической деформации волочением после РКУП не формируется текстура, прочностные свойства сталей повышаются за счет измельчения субструктуры и частичного протекания у^а превращения (формируется ~ 35% мартенсита деформации), пластичность несколько подрастает в результате протекания частичных процессов динамической и постдинамической рекристаллизации.
4. Определено, что падение релаксационной стойкости при температуре 400 °С в течение 20 суток для сталей 03Х14Н11К5М2ЮТ и 03Х14Н11КМ2ЮТ не превышает 12 % и 15 % соответственно. При 20 °С и -196 °С релаксация напряжений обеих исследуемых сталей составляет 2-3 %.
Практическая значимость:
1. В ходе исследований определены режимы РКУП сталей 03Х14Н11К5М2ЮТ и 03Х14Н11КМ2ЮТ, при которых наблюдается одновременное повышение прочностных свойств до 2 раз (ов = 1010 МПа) и сохранение достаточной пластичности (¥ = 43 %).
2. Для исследуемых метастабильных аустенитных сталей разработан новый способ комбинированной деформационной обработки (РКУП + волочение) сталей, который в сочетании с последующим старением приводит к значительному повышению прочностных свойств (ов = 2300-2500 МПа) и позволяет получать высокопрочные проволочные заготовки больших и средних сечений (диам. 6,0 - 4,0 мм).
3. Показано, что после оптимальных режимов термических и деформационных обработок (закалка + деформация ~ 60 % + старение 500 °С, 1 ч) исследуемые стали обладают высокой стабильностью свойств от криогенных до повышенных температур (400 °С), и могут быть рекомендованы для изготовления пружин и упругих элементов, эксплуатируемых в широком интервале температур.
Методология и методы диссертационного исследования. Методологической основой послужили труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области разработки технологий различных видов интенсивных пластических деформаций, научные положения теории термической обработки металлов и сплавов. Большая роль при этом уделялась многочисленным экспериментам по достижению высокопрочного состояния в аустенитных сталях.
Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались следующие методы: металлография, электронная просвечивающая и сканирующая микроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, рентгеноструктурный и терморентгеноструктурный анализ, метод дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD-анализ), измерения твердости, изучение магнитных характеристик, испытания на одноосное растяжение, сжатие, релаксацию напряжений.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
1. Особенности формирования субмикрокристаллической структуры, фазового состава и свойств при различных видах интенсивной пластической деформации (волочение, сдвиг под высоким давлением, равноканальное угловое прессование) практически безуглеродистых метастабильных аустенитных сталей на Fe-Cr-Ni-основе, дополнительно легированных Со и А1.
2. Установление термостабильности сформированной в процессе РКУП структуры при последующем нагреве вплоть до температуры 400 °С.
3. Эволюция структуры аустенитных сталей после РКУП и последующей пластической деформации волочением при комнатной температуре.
4. Анализ влияния степени стабильности структуры на упругие свойства и релаксационную стойкость исследуемых сталей 03Х14Н11К5М2ЮТ и 03Х14Н11КМ2ЮТ от криогенных до повышенных (400 °С) температур.
Степень достоверности результатов работы обеспечивается воспроизводимостью результатов опытов, согласованием их между собой и с известными литературными данными, применением комплекса современных методов исследования и использованием современных приборов анализа фазового состава, структуры и свойств.
Апробация диссертационной работы. Основные положения работы доложены на международных конференциях: Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых, г. Екатеринбург (2010, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.); Современные металлические материалы и технологии (СММТ’2011), Санкт- Петербург, 2011 г.; Международная школа с элементами научной школы для молодежи «Физическое металловедение», г. Тольятти (2011, 2013 гг.); VII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2012 г.; Интерактивная научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии», г. Екатеринбург (2012, 2013, 2014, 2015 гг.); XIV International scientific conference, Czestochowa, Poland, 2013 г.; Международная конференция «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов - ДСМСМС-2014», г. Екатеринбург, 2014 г.; X Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», г. Екатеринбург, 2016 г.; также на региональных конференциях: Научно-техническая конференция «Молодежь и наука», г. Нижний Тагил, 2011 г.; XXI Уральская школа металловедов-термистов: Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов, Магнитогорск, 2012 г.; XX Петербургские чтения по проблемам прочности, г. Санкт-Петербург, 2012 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 30 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации, из них 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора состоит в постановке задачи, подготовке объектов исследования, проведении экспериментов, обсуждении и анализе полученных результатов. Все экспериментальные результаты, включенные в диссертацию, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Подготовка публикаций выполнена диссертантом в составе коллектива авторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 111 источников. Работа изложена на 138 страницах, содержит 55 рисунков и 11 таблиц.

Купить

1. Показано, что в результате изотермической выдержки при 750 °С, 1 ч перегретой аустенитной стали 03Х14Н11К5М2ЮТ наблюдается некоторое снижение горячей деформируемости, что связано с выделением упрочненного интерметаллидными частицами 5-феррита. Определены температурные интервалы горячей пластической деформации исследуемой стали: температура нагрева заготовок в печи должна составлять 1200 °С, температура конца проката заготовок не должна быть ниже 800 °С.
2. Применение различных видов ИПД (сдвиг под высоким давлением, высокая суммарная величина обжатия при волочении, РКУП) продемонстрировало значительную пластичностью и технологичность исследуемых сталей.
3. Установлено, что в связи с различной последовательностью протекания фазового превращения в исследуемых сталях при деформации (у^е^а или у^а), сталь с пониженным содержанием кобальта (~ 1,0 %) характеризуется более высокой интенсивностью образования мартенсита, его деформацией, приводящей к снижению пластичности при меньших значениях суммарных степеней обжатия.
4. В процессе теплого РКУП метастабильных аустенитных сталей 03Х14Н11К5М2ЮТ и 03Х14Н11КМ2ЮТ не наблюдается протекание фазовых превращений, упрочнение материала происходит преимущественно за счет измельчения исходной аустенитной структуры до субмикрокристаллических размеров фрагментов. Прочность и твердость возрастает в 1,5-2 раза в зависимости от числа проходов при деформации. Средний размер фрагментов структуры при увеличении числа проходов РКУП от 4 до 6 уменьшается с 200 до 100 нм.
5. Доказано, что последеформационный (после РКУП) нагрев сталей в интервале 200-500 °С не приводит к увеличению прочностных свойств, а многократный нагрев и интенсивная пластическая деформация при температуре 400 ОС способствовали образованию стабильной аустенитной субструктуры в указанном интервале. Процессы рекристаллизации деформированного аустенита начинают активно протекать при температуре выше 700 °С.
6. Показано, что использование комбинированной деформационной обработки, сочетающей РКУП с последующим волочением, привело к дальнейшему повышению прочностных свойств за счет измельчения субструктуры и частичного протекания у^а превращения, а также к росту пластичности в результате протекания процессов динамической рекристаллизации. При нагреве выше 650 °С мартенсит деформации вновь переходит в аустенит.
7. Выявлено, что исследуемые стали при отрицательных климатических и криогенных температурах обеспечивают необходимую прочность в сочетании с высокой пластичностью и сохраняют стабильность фазового состава при глубоком охлаждении (до -196 °С) и последующем отогреве.
8. Показано, что обе исследуемые стали являются теплостойким после оптимальной обработки (закалка + деформация + старение), падение релаксационной стойкости при температуре релаксации 400 °С в течение 20 суток не превышает 12 % для стали 03Х14Н11К5М2ЮТ и 15 % для стали 03Х14Н11КМ2ЮТ. При комнатной и криогенных температурах релаксация напряжений обеих исследуемых сталей не превышает 2-3 %.
9. Использование комбинированной деформационной обработки (РКУП + волочение) позволяет получить высокопрочную заготовку, предназначенную для изготовления пружин ответственного назначения больших и средних диаметров.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования состоят в промышленном и полупромышленном внедрении предложенной комбинированной обработки, сочетающей деформацию РКУП и волочением, а также в разработке технологии получения длинномерных заготовок больших и средних сечений из исследуемых сталей для возможности увеличения масштабов производства упругих элементов.

Купить