Атлас структур металлов и сплавов

Большаков В.И., Сухомлин Д.В., Лаухин Д.В.

Днепропетровск: ПГАСА, 2010 г.

ДИФРАКЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ ТОНКИХ ФОЛЬГ

Объёмы производства массовых видов металлопродукции (проката, труб, профилей) с каждым годом возрастают и достигают сотен тысяч тонн в год. При этом известно, что даже незначительные отклонения в структурном состоянии металла, в том числе на атомном и дислокационном   уровне,   могут   приводить   к

значительным как положительным, так и отрицательным технологическим, эксплуатационным и экономическим эффектам. Изучение, оценка и прогнозирование таких тонких структурных параметров как дисперсность и распределение мельчайших частиц вторых фаз, плотность дислокаций, морфологические особенности       структурных      составляющих,  характеρ кристаллографических сопряжении на внутрифазных и межфазных границах и многих других деталей тонкого строения металлов и сплавов невозможно без применения дифракционной электронной микроскопии. Несмотря на значительные трудности, сопряженные с приготовлением тонких фольг, и интерпретацией изображений, этот вид исследования тонкой структуры прочно входит в практику материаловедения, физики металлов и металловедения. В этом разделе атласа на примере строительных сталей показаны характерные электронномикроскопические

изображения тонкой структуры, формирующейся в низкоуглеродистых малолегированных сталях после различных видов термической и термомеханической обработок.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Строительные стали широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. Это промышленное и гражданское строительство, судостроение, транспортное, сельскохозяйственное и тяжелое машиностроение и многие другие отрасли.

При изготовлении и сборке конструкций широко применяются различные виды сварки; во время эксплуатации конструкции подвергаются разнообразным воздействиям - пиковым непредвиденным нагрузкам, в том числе ударным, воздействию атмосферной и электрохимической коррозии, высоких и низких природных и техногенных температур. Поэтому к строительным сталям предъявляется целый комплекс требований: высокие прочность, пластичность, ударная вязкость, низкая температура перехода в хрупкое состояние, высокая коррозионная стойкость, хорошая свариваемость, низкая стоимость.

Наиболее широко распространенными являются такие марки сталей: 10, 20, Ст 3, 16Г2АФ, 12Г2СМФ, 14Х2ГМР, 09Г2С, 09Г2ФБ и другие.

Основными видами обработок для повышения тех или иных эксплуатационных свойств указанных сталей являются: нормализация, горячая и контролируемая прокатка, улучшение (закалка и отпуск), термомеханическая обработка и другие. При этом получают различные виды структур: феррит и перлит, бейнит, мартенсит, игольчатый феррит, либо их смеси. Обширные сведения о различных видах упрочнения строительных сталей и их структуре содержатся в [28].

НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫЙ МАРТЕНСИТ

На рисунке 97.1 показано типичное пакетное строение низкоуглеродистого мартенсита стали 14Х2ГМР после закалки в воде. Рейки в пакете располагаются почти параллельно друг Другу. Группа реек в количестве 10...50 единиц образует пакет, границы которого очерчены либо границами бывшего аустенита, либо границами других пакетов, рейки которых располагаются под иными углами. Это отчетливо видно на рисунке 97.2, где можно проследить расположение границ бывшего аустенита вдоль которых контактируют несколько пакетов мартенсита. Ширину реек и плотность дислокаций в них можно оценить при повышении увеличения до 20 000...30 000 крат, при этом видно, что кристаллы мартенсита, которые образовались на более ранних, начальных стадиях, имеют значительно более крупные размеры (рис. 97.3).

Поскольку границы аустенита являются препятствием для растущих реек мартенсита, то в более мелкозернистом аустените формируется более дисперсный мартенсит. Так, на рисунке 97.4 видны очертания бывшего двойника отжига в аустените в виде широкой полосы, внутренний объем которой после мартенситного превращения заполнен одним пакетом, состоящим из около 40 реек.

В крупнозернистом аустените наблюдаются широкие пластины, образовавшиеся еще при высоких (300...350 °С) температурах (рис. 97.5). Во время последующего охлаждения такие пластины успевают пройти самоотпуск с образованием дисперсных карбидов, располагающихся в виде пластинок по двум-трем плоскостям типа (112) феррита, как это видно при больших увеличениях на рисунке 97.6.

ОТПУСК НИЗКОУГЛЕРОДИСТОГО МАРТЕНСИТА

На рисунке 98.1 видно, что во время отпуска при 500...600 °С в мартенсите резко снижается плотность дислокаций, но реечное строение пакетов в какой-то мере сохраняется. При этом дислокации выстраиваются в полигональные стенки или субграницы, а карбидные частицы располагаются, в основном, по границам реек в виде вытянутых пластин (рис. 98.2), а не внутри крупных реек (сравните рисунки 97.6 и 98.3).

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ

В процессе высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) дислокационная субструктура горячедеформированного аустенита частично наследуется мартенситом,

образующимся при закалке от температур деформации. Кроме того, многочисленные зёренные и субзёренные границы являются барьерами для растущих реек мартенсита, поэтому их число растет, а размеры уменьшаются.

Поэтому после ВТМО с последующим отпуском структура стали более дисперсная (рис. 98.4...98.6), чем после закалки с отдельного нагрева и отпуска (рис. 98.1...98.3). Образование более дисперсной структуры способствует повышению прочностных и пластических свойств стали, прошедшей ВТМО, по сравнению с закалкой с отдельного нагрева.

НОРМАЛИЗАЦИЯ

Сталь 14Х2ГМР содержит добавки бора, который даже в малых количествах активно стабилизирует аустенит и сдвигает вправо С-образные кривые на термокинетической диаграмме распада аустенита. Как следствие, после нормализации в структуре этой стали наблюдается верхний, реже нижний бейнит (рис. 99.1 и 99.4 соответственно). В верхнем бейните рейки намного шире, чем в мартенсите, а плотность дислокаций ниже. Отпуск таких структур способствует снижению плотности дислокаций и образованию разветвленной сети субзёренных границ с разориентацией решеток до 2 градусов, а также некоторому округлению карбидных частиц (рис. 99.2, 99.3). В нижнем бейните происходят аналогичные процессы структурообразования (рис. 99.5, 99.6). В результате образование низкоуглеродистого бейнита (как верхнего, так и нижнего) несколько снижает прочность, но повышает пластичность стали.

СТРУКТУРА СТАЛИ 09Г2ФБ

Листовая малоперлитная микролегированная ванадием и ниобием сталь 09Г2ФБ после обычной горячей прокатки имеет, в основном, феррито-перлитную структуру. При этом исходная ликвационная неоднородность слитка создает полосчатую структуру в листе: на светооптических снимках видно, что слои с преимущественно перлитной компонентой чередуются со слоями ферритной компоненты (рис. 100.1). Характерно, что в слоях с перлитными структурами встречаются бейнитно-перлитные или бейнитно-мартенситные прослойки (рис. 100.5, указаны стрелками). Это связано с дополнительным случайным обогащением легирующими элементами богатых углеродом слоев, что повышает стабильность аустенита и приводит к последующему его распаду по бейнитному механизму.

Если прокатка ведется таким образом, чтобы температура металла в последних клетях прокатного агрегата понижалась в межкритический интервал (контролируемая прокатка), то выделившийся доэвтектоидный феррит подвергается деформации в последующих клетях и успевает претерпеть полигонизацию и сформировать субзёренную структуру в ферритных слоях (см. рис. 100.2 и 100.6). Такое дополнительное субструктурное упрочнение благоприятно сказывается на механических характеристиках листа:

повышается одновременно и прочность, и пластичность стали.

Если горячекатаный лист после прокатки принудительно охлаждается с регулируемой скоростью, то могут быть получены, например, феррито-бейнитные структуры, как это показано на рисунках 100.3 и 100.7. Здесь видно, что, хотя полосчатость еще сохраняется, но выражена гораздо слабее, бейнитно-ферритные полосы шире перлитных (ср. с рис. 100.1 и 100.3), а внутри этих полос встречаются мелкие островки мартенсита (показаны стрелками на рис. 100.7).

Если скорость охлаждения составляет 10...40 °С в секунду, то в стали 09Г2ФБ формируется структура игольчатого феррита (рис. 100.4 и 100.8). Она замечательна тем, что прочность и низкотемпературная ударная вязкость стали с такой структурой резко повышается, а пластичность, если и снижается, то незначительно. Повышение скорости охлаждения выше 50 "С в секунду приводит к формированию бейнитио-мартенситной или чисто мартенситной структуры с такой же морфологией, как и в других низкоуглеродистых микролегированных сталях (см. рис. 97.1...97.6). Очевидно, что в таких случаях после закалки с прокатного нагрева (ВТМО) необходим дополнительный отпуск.

Электронномикроскопические   исследования методом тонких фолы на просвет позволяют уточнить некоторые детали структур, формирующихся в стали 09Г2ФБ поел» различных видов обработки.

ТОНКАЯ СТРУКТУРА ПЕРЛИТА

Колонии перлита в формирующейся после горячей прокатки структуре стали 09Г2ФБ имеют довольно разнообразную морфологию.

На рисунке 101.1 показан фрагмент перлитной колонии с регулярным чередованием цементитных пластин и несколькими разрывами в них. В колонии перлита, представленной на рисунке 101.2, преобладает типичная ленточная морфология. Характерно, что кромки разрывов (края лент) вытянуты единообразно в одном направлении, которым является, как правило, направление роста перлитной колонии [010]_ц. Нерегулярная колония с искривленными пластинами показана на рисунке 101.3. Обычно такие колонии формируются при нестационарных условиях их роста или в сильно деформированном аустените.

На рисунке 101.4 видны изгибы пластин, следующих двум направлениям. Это говорит о том, что пластины могут иметь две-три габитусные плоскости.

В тех местах, где цементитные пластины контактируют с границами перлит -доэвтектоидный феррит, они имеют специфические утолщения (рис. 101.5). Эти относительно крупные пограничные образования могут при определенных условиях способствовать межкристаллитному разрушению. Иногда подобные утолщения наблюдаются и на границах двух соседних колоний (рис. 101.6).

ТОНКАЯ СТРУКТУРА ФЕРРИТА

Доэвтектоидный о>еррит в горячекатаной стали имеет низкую плотность дислокаций. На рисунке 102.1 плотность дислокаций в ферритном зерне составляет примерно 1,5-10⁸ см"². Если в феррите имеются дисперсные частицы, то дислокации из-за взаимодействия с ними становятся извилистыми или зигзагообразными (рис. 102.2).

Если после горячей прокатки скорость охлаждения стали несколько выше, чем при охлаждении на спокойном воздухе, то наряду с ферритом в структуре присутствует перлит с сильно искаженными цементитными пластинами (рис. 102.3) или даже бейнит (рис. 102.4).