ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

СТАЛЕЙ ТИПА 20ГЛ

 

Федосюк А.А. (БГИТА, г.Брянск, РФ)

 

Influence of various factors on shaping of indexes of mechanical properties of steels type 20ГЛ is considered. The estimation of a rational chemical compound of steels and a value of an index of a hardness penetration are reduced.

 

Низкоуглеродистые стали, легированные марганцем, имеют широкую область применения. Это обусловлено, прежде всего, тем, что при сравнительно низкой стоимости они обладают довольно высоким пределом текучести, низким температурным порогом хрупкости, хорошей свариваемостью и деформируемостью. Такие критерии составляют основу для разработки высокопрочных низколегированных конструкционных сталей.

Немаловажное значение имеют и литейные стали, используемые при изготовлении ответственных деталей для железнодорожного транспорта. В целях обеспечения постоянно растущих требований, связанных с увеличением грузооборота и скорости движения поездов, особое внимание уделяют конструкционной прочности и надежности. Таким образом, очевидной становится целесообразность повышения значений следующих показателей: предела текучести, предела выносливости и ударной вязкости.

Механические свойства сталей типа 20ГЛ регламентирует ГОСТ 977-88, однако его требования являются минимальными. В условиях высокого нагружения, при больших скоростях движения железнодорожных составов, а также в холодных климатических районах требуется существенное увеличение известных значений свойств.

В связи с этим необходимость приобретает рациональное структурирование сталей, которое зависит от многих факторов: химического состава, способов модифицирования и микролегирования, содержания вредных примесей и неметаллических включений, способов и режимов термической обработки.

Доказано [1], что для сталей типа 20ГЛ рациональной является измельченная структура с наличием субструктурных участков на основе зернистого бейнита.

В низкоуглеродистых ферритно-перлитных сталях большое влияние на свойства ферритной составляющей (предел текучести и температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое) оказывает размер ее зерен.

Соотношение между структурой и свойствами таких сталей описывается двумя уравнениями: уравнением Холла-Петча

 (1)

и уравнением Петча

 (2),

где  – предел текучести;  – напряжение трения при движении дислокаций внутри зерен;  – диаметр зерна, мм;  – коэффициент пропорциональности;   – температура хрупкого перехода;  и  – постоянные.

Напряжение  и плотность дислокаций  связаны следующим уравнением:

 (3),

где  – постоянный коэффициент.

За счет увеличения плотности дислокаций значение  может повыситься на 50 МПа [2]. Этого можно достигнуть понижением температуры превращения с помощью увеличения скорости охлаждения или содержания марганца, однако необходимо учитывать, что чрезмерное понижение этой температуры может способствовать образованию структуры игольчатого бейнита и, как следствие, существенному снижению ударной вязкости.

Перлит практически не влияет на величину предела текучести, но при повышении значения предела прочности он резко отрицательно воздействует на температуру перехода в хрупкое состояние.

Упрочнение может происходить в результате образования твердого раствора, так как растворенные элементы повышают предел прочности и предел текучести. Это происходит, главным образом, из-за различия размеров атомов растворенного элемента и железа.

Элементы, образующие растворы замещения, слабо влияют на величину прочности и, кроме того, их широкое применение неэффективно с точки зрения экономии. А элементы, которые образуют растворы внедрения, хоть и обладают большей динамикой упрочнения, но их растворимость ограничена, что не дает возможности использования в больших количествах. Важно, что растворы замещения и растворы внедрения (за исключением никеля) отрицательно влияют на ударную вязкость.

Среди множества механизмов упрочнения ферритно-перлитных сталей также выделяют дисперсионное. Твердение способствует значительному повышению прочности, но влечет за собой снижение ударной вязкости. Эффективным здесь является использование элементов, комплексно воздействующих на свойства дисперсионным упрочнением и измельчением зерна. Эти элементы (ванадий, ниобий, титан) применяются как в отдельности, так и в сочетании друг с другом. Их карбиды и карбонитриды выделяются по границам феррит-аустенит [3], в результате чего образуются цепочки дисперсных включений, обеспечивающие упрочнение.

Положительное влияние измельчения зерен стали на повышение значения предела текучести и снижение температурного порога хрупкости делает наиболее предпочтительным данный механизм упрочнения.

Данные, характеризующие изменение предела текучести, предела прочности и температуры охрупчивания стали при легировании в расчете на 1 % массы легирующего элемента, приведены в таблице 1 [2].

 

Таблица 1 – Влияние углерода и легирующих элементов на изменение предела текучести (), предела прочности () и температуры вязко-хрупкого перехода () в расчете на 1 % элемента [2]

Элемент

МПа

Углерод

Азот

Фосфор

Олово

Кремний

Медь

Марганец

Молибден

Никель

Хром

Алюминий

+4600

+4600

+670

+140

+85

+39

+32

+11

+0

-302)

0

+6800

+6800

+670

+85

+9

+28

+45

+9

-282)

0

+7001)

+400

+150

+44

0

+753)

1) Зависимость нелинейная

2) Отрицательное значение обусловлено удалением примесей внедрения

3) При условии нахождения в твердом растворе

 

В качестве параметра, характеризующего структурообразование стали в разных условиях охлаждения, а также при нормализации и отжиге, может служить показатель прокаливаемости.

Прокаливаемость стали определяется экспериментально методом торцовой закалки [4] и расчетным путем [5, 6]. В случае, если для определенной марки стали нет кривой или полосы прокаливаемости, можно использовать математическую модель прокаливаемости сталей:

 (4),

где П – параметр прокаливаемости, мм; C, Si, Al, Cu, Mn, Cr, V, Ni, Mo – содержание соответствующих химических элементов, %.

Прокаливаемость характеризует проникновение закаленной зоны вглубь закаливаемого изделия, а величина показателя прокаливаемости служит для оценки этой величины по соответствующим диаграммам и номограммам. Примером может служить номограмма прокаливаемости Блантера [7].

При одной и той же скорости охлаждения в результате нормализации стали можно целенаправленно получать структуры с различным соотношением составляющих при различной их дисперсности с помощью регулирования показателя прокаливаемости. При определенных значениях эквивалентных скоростей охлаждения можно обеспечить двухуровневое композиционное структурирование стали. В сталях типа 20ГЛ с ферритно-перлитной структурой композиция формируется путем расположения в ферритной матрице изолированных друг от друга измельченных перлитных зерен в количестве до 30 %. Субструктурные композиции представляют зернистый бейнит или аусферрит, формирующийся на основе ферритного зерна при повышенном содержании марганца. Легирование стали марганцем ощутимо повышает ее прочностные свойства. При содержании марганца до 1,4-1,5 % его влияние имеет линейный характер и обуславливается зернограничным и твердорастворным упрочнением. Более значительное упрочнение обеспечивается содержанием марганца свыше указанного предела. Это связано с образованием бейнитной структуры. Однако из-за возможной зернограничной сегрегации аустенитных включений в субструктуре зернистого бейнита и, соответственно, резкого снижения ударной вязкости содержание марганца в стали не рекомендуется увеличивать сверх 1,4-1,45 %.

Корректировка структуры и свойств стали проводится с использованием дополнительной термической обработки: при П < 5 мм нужно проводить повторную нормализацию, а если П > 6,5 мм, то после однократной нормализации проводится высокотемпературный отпуск, целью которого является устранение участков структуры с игольчатыми продуктами промежуточного или мартенситного превращений.

Для сталей типа 20ГЛ с рациональным химическим составом рекомендуется применять единый режим термической обработки с температурой закалки 920-940 °С и температурой отпуска 620-640 °С.

Литература

1. Сильман Г.И., Серпик Л.Г., Федосюк А.А. Рациональное структурирование сталей типа 20Г и 20ГЛ // Теоретические и технологические основы рационального структурирования чугунов и сталей. Юбилейный сборник монографических научных работ. Под ред. Г.И. Сильмана. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2010. – 402 с.

2. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. – 184 с.

3. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. – М.: Металлургия, 1985. – 408 с.

4. Качанов Н.Н. Прокаливаемость стали. – М.: Металлургия, 1978. – 192 с.

5. Сильман Г.И. Материаловедение: Учебное пособие для вузов. – М.: ИЦ «Академия», 2008. – 336 с.

6. Сильман Г.И., Серпик Л.Г. Математическая модель прокаливаемости сталей // Проблемы повышения качества отливок. – Брянск: Изд-во ЦНТИ, 1990. – С. 40-44.

7. Блантер М.Е. Теория термической обработки: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1984. – 328 с.