Влияние структуры доэвтектоидных конструкционных сталей при различных режимах термоциклической обработки

Введение. Низколегированные и углеродистые стали длительное время были, и в обозримом будущем останутся основными конструкционными материалами для машиностроения, особенно, сельскохозяйственного. Однако, традиционные возможности повышения их эксплуатационных характеристик близки к предельным. Поэтому, наряду с изменением их химического состава (микролегирование, повышение металлургического качества и др.) большое внимание в последнее время уделяется разработке путей совершенствования структурно-фазового состояния стальных изделий методами нестационарного, термоциклического воздействия. Термоциклическая обработка (ТЦО) известна с середины 20 века [1-3]. Повышенный интерес к ней сейчас обусловлен широкими перспективами управления структурообразованием сталей и сплавов для повышения эксплуатационных свойств изделий [4-8]. Эффективность ТЦО с точки зрения достижимости свойств определяется режимом ТЦО, количеством циклов, скоростью нагрев и охлаждения, а также химическим составом стали. Анализ результатов выполненных работ показывает, что в основе отрабатываемых режимов ТЦО лежат закономерности фазовых превращений при нагреве и охлаждении стали, как в условиях полиморфного превращения, так и без него [4]. Работы в этой области свидетельствуют о достаточно широком использовании ТЦО в целях оптимизации структуры и свойств различных сплавов [5-8]. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №4/2025 30 Техника, технология ва жиҳозлар Являясь технологически более сложным процессом, по сравнению с традиционными операциями термической обработки, (ТЦО) может быть рекомендована к применению только в тех ситуациях, когда это обусловлено необходимостью достижения качественно нового уровня свойств особенно, если ТЦО удается совместить с другими операциями технологического цикла обработки изделий [4]. Ярким примером подобных изделий являются быстроизнашиваемые детали почвообрабатывающих агрегатов. Специфика этих деталей требует применения недорогих конструкционных сталей. Интенсификация почвообработки, характерная для мирового сельского хозяйства, предъявляет повышенные требования к долговечности этих деталей. Очевидно, что повышение долговечности этих деталей и агрегатов в целом было актуальным в XX веке, остается актуальным в XXI веке [9]. Основными факторами повышения долговечности обсуждаемых деталей является повышение прочностных характеристик и абразивной износостойкости. В статье представлены результаты выполненных исследований по упрочнению ряда конструкционных сталей для почвообрабатывающих агрегатов с применением термоциклического индукционного нагрева. Результаты и обсуждение. Индукционная термоциклическая обработка без фазовой перекристаллизации. Были выполнены исследования циклического нагрева стали 65Г (установка индукционного нагрева ВЧГ2-100/066) с последующим ускоренным охлаждением на воздухе. Охлаждение на воздухе с принудительной циркуляцией позволяет повысить скорость охлаждения выше традиционной нормализации. В этом случае появляется возможность поучения более дисперсной тросто-сорбитной структуры. Такая обработка близка по своей сути к одинарной термической обработке по Н.А. Минкевичу. Температура нагрева при термическом цикле была выбрана заведомо ниже точки А1 (450, 570 и 700 °С). Это позволило оценить влияние термических напряжений и формируемого ими фазового наклепа без полной фазовой перекристаллизации (табл.1). Установлено, что структурные изменения при низкотемпературном ТЦО состоят в сфероидизации карбидной фазы. С повышением температуры ТЦО ожидаемо стпень глобулярности цементита увеличивается за счет повышения диффузионной подвижности углерода. Твердость и уровень напряжений 2-ого рода нелинейно зависит от параметров низкотемпературной ТЦО. Повышение температуры ТЦО от 450 до 700 °С (1 цикл) снижает твердость за счет более интенсивной сфероидизации карбидной фазы. Аналогичная зависимость наблюдается для первых трех (четырех) циклов ТЦО. На пятом цикле для всех температур ТЦО фиксируется повышение твердости. Причем с повышением температуры твердость после пятого цикла растет значительнее. Анализ кинетики изменения уширения рентгеновской линии позволяет понять причины указанного явления. Термические остаточные напряжения, характеризуемые уширением рентгеновской линии, нелинейно зависят от числа циклов ТЦО. Уменьшение остаточных напряжений после 2-ого, 3-его цикла обусловлено релаксационными процессами. С повышением температуры эта тенденция проявляется более ярко. Так для 2-ого цикла ТЦО при 700 °С среднее уширение рентгеновской линии составило только 8,72, для аналогичного процесса при 400 °С уже 9,45. К пятому циклу при всех температурах ТЦО возрастают остаточные напряжения и обусловленное ими уширение рентгеновской линии. С повышением температуры напряжения ожидаемо возрастают из-за увеличения градиента температур. По этой же причине возрастает и твердость. Существенным является известный факт микропластической деформации при ТЦО из-за интенсивных теплосмен и различия термического расширения элементов гетерофазной струтуры. Таким образом, происходит развитие дислокационной структуры, а повышенная температура ведет к полигонизации. Полигонизационная структура, хотя и не имеет высокий уровень дефектности кристаллического строения, обладает высокой термической стабильностью. При повтором “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №4/2025 31 Техника, технология и оборудование нагреве, выше точки фазового превращения, полигонизованные структуры обеспечивают создание структур с высокой плотностью дислокаций [10, 11]. Результаты испытаний на абразивное изнашивание в условиях незакреплённого абразивного материала согласуются с данными микро- и субмикроисследований образцов. Таблица 1. Изменение свойства стали 65Г после индукционного термоциклирования с последующим охлаждением на воздухе № Изменение свойств Количество циклов 1 цикл 2 цикл 3 цикл 4 цикл 5 цикл Нагрев до 450 °С 1. Твердость, НВ 269 255 241 241 255 2. Среднее значение ширины рентгеновской линии β ср 10-3 рад 9,87 9,45 9,69 9,27 9,88 Нагрев до 550 °С 1. Твердость, НВ 241 229 241 207 207 2. Среднее значение ширины рентгеновской линии β ср 10-3 рад 9,1 9,59 8,71 8,3 8,3 Нагрев до 700 °С 1. Твердость, НВ 229 217 207 255 285 2. Среднее значение ширины рентгеновской линии β ср 10-3 рад 9,88 8,72 9,3 12,5 12,8 Индукционная термоциклическая обработка с фазовой перекристаллизацией. Был выполнен комплекс исследований по индукционной ТЦО ряда конструкционных сталей (сталь 20, 40Х) [12, 13]. Авторский опыт свидетельствует, что для быстропротекающих процессов термической обработки следует учитывать разницу структурных превращений на поверхности и в сердцевине изделий. Для индукционной ТЦО при малых размерах образцов (10×10×55 мм) были обнаружены существенные различия в кинетике структурообразования в сердцевине и на поверхности. Был подтвержден факт полигонизации и рекристаллизации структуры стали в результате ТЦО. Для определения влияния фазового наклепа на структурообразование поверхности и сердцевины стали (20, 40Х) во время циклических фазовых превращений были выбраны образцы с крупнозернистой структурой (5 балл), полученной предварительным отжигом при 1000 оС в защитной атмосфере в течение 2 часов. Схема ТЦО была выбрана с полным прямым и обратным аустенитным превращением (нагрев выше А3), а интенсивность теплосмен составила 1, 2, 4, 6 циклов со скоростью нагрева и охлаждения в циклах 30…40 оС/с и 3…5 оС/с соответственно. Было установлено, что индукционная ТЦО (4 и более) измельчает структуру до 9 (сталь 20) и 13 (сталь 40Х) балла. Однако, в структуре изза объемных полиморфных превращений происходит накопление напряжений 2-ого рода, которые вызывают микропластическую деформацию зерен, повышающую плотность дефектов кристаллического строения. Пластическая деформация зерен сопровождается рекристаллизацией, которая протекает с разной интенсивностью и проходит до определенной стадии. На поверхности (сталь 20) образца (4 и более циклов) рекристаллизация наклепанных зерен доходит до собирательной стадии, что сопровождается увеличением диаметра отдельных зерен (с 10 мкм до 125 мкм) и снижением твердости с HV 178 до HV 157 (рис.1). Такая картина характерна для слабодеформированного сплава, когда рост зерен происходит за счет слияния в одно крупное, путем «растворения» границ. Процесс слияние зерен не требует значительных диффузионных процессов. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №4/2025 32 Техника, технология ва жиҳозлар Существенно, что слияние может, происходить одновременно по всем поверхностям межзеренного раздела. На межзеренных границах происходит концентрация дислокаций. Их аннигиляция, по сути, и есть «растворение» границ зерен. Для незавершенного процесса слияния характерна разнозернистость с небольшим количеством крупных зерен и большим количеством мелких. Интенсивный рост зерен в слабо деформированной структуре наблюдается при быстром индукционном нагреве, если процесс нагрева медленный, то процесс полигонизации успевает пройти и рост зерна, по механизму слияния, не происходит. В сердцевине (сталь 20, 40Х) формируется устойчивая полигональная структура и происходит «рекристаллизация на месте», сопровождаемая ростом субзерн. Это подтверждается рентгеноструктурным анализом образцов, в которых наблюдается увеличение кристаллитов с 150 нм (отжиг) до 300 нм (6 циклов), (табл. 2). Последующий изотермический отжиг показал, что полигональные структуры довольно устойчивы и сохраняются длительное время, препятствуя протеканию обычной рекристаллизации. Было выявлено, что снижение твердости и изменения структуры стали начинаются только после 4 часов рекристаллизационного отжига. Структура сталей 20 и 40Х из мелкозернистой превращается в структуру, характеризующую вторичную стадию рекристаллизации. В сердцевине сталей происходит избирательный рост зерен, диаметр которых доходил до 1500 мкм и твердостью HV 120, а сохранившиеся в структуре мелкие зерна (диаметр 15 мкм) имели твердость HV 150…160. Такая структура и твердость характеризует полностью завершенный процесс рекристаллизации зерен с предварительной степенью деформации 3…8 %, близкой критической (рис 2.). На контрольной группе отожженных образцов сталей (20, 40Х) подвергнутых повторному отжигу не обнаружено изменений в механических свойствах и микроструктуре. Твердость зерен феррита (сталь 20) сохранялась в течение 4 часов в интервале HV 120…125, а размер зерен не превысил 5 балла. Таблица 2. Влияние режима ТЦО на размер кристаллитов стали 20 Вид обработки Размер кристаллитов по рентгеноструктурному анализу, нм HKL 110 200 211 220 310 222 Полный отжиг 144 144 200 170 113 125 ТЦО, 4 цикла 261 212 240 200 171 220 ТЦО, 6 циклов 260 225 340 350 253 282 Рис. 1. Микроструктура (×100) поверхности образца после 6ти циклов ТЦО (сталь 20); а – сталь 40Х; ×100 б – сталь 20; ×100 Рис. 2. Микроструктура сердцевины после 4-рех термоциклов и отжига “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №4/2025 33 Техника, технология и оборудование Литературный анализ и собственные исследования позволили уточнить механизм микропластической деформации и структурной рекристаллизации среднеуглеродистых низколегированных сталей при ТЦО. Отсутствие выдержки при верхней температуре цикла, ведет к тому, что рекристаллизация не успевает пройти полностью. К моменту достижения нижней температурной границы цикла, в объеме стали происходит накопление дефектов кристаллического строения и возрастает доля наклепанных нерекристаллизованных зерен. Дополнительно к этому объему добавляются зерна, в которых при обратном превращении аустенита в феррито-перлитную структуру создаются напряжения, релаксация которых происходит в результате микропластической деформации скольжением, возникающая из-за малой подвижности границ. Последующая ТЦО увеличивает количество нерекристаллизованных зерен, способствует накоплению фазовых напряжений и, как следствие, повышению степени деформации зерен. В результате на поверхности и в сердцевине протекает рекристаллизация различной интенсивности. На поверхности она доходит до собирательной стадии, а в сердцевине наблюдается только полигонизация и рост субзерен. Выводы. Индукционное ТЦО конструкционной стали без фазовой перекристаллизации в интервале температур 400 - 700 °С формирует остаточные термические напряжения, обуславливающие повышение плотности дислокаций, развитие начальных стадий рекристаллизации. Это обеспечивает формирование полигональной, термически устойчивой субструктуры и повышение твердости стали. Индукционное ТЦО конструкционных сталей с полной фазовой перекристаллизацией в интервале температур 600 - 940 °С приводит развитию рекристаллизационных процессов различной итенсивности на поверхности в сердцевине стального образца. Фазовый наклеп не устраняется полностью при нагреве и степень деформации зерен возрастает с каждым циклом охлаждения. В результате после 4-х и более циклов ТЦО в поверхностном слое протекает собирательная рекристаллизация, которая формирует зерна диаметром 60 мкм , на фоне мелких зерен диаметром 16 мкм. В сердцевине (сталь 20) сохраняется мелкодисперсная структура (диаметр 8…12 мкм) и протекают процессы полигонизации и «рекристаллизация на месте», о чем свидетельствует укрупнение кристаллитов с 150 нм (отжиг) до 300 нм (6 циклов)