книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов

Примечание: для KCU в числителе – результат испытания при температуре + 20 °С, в знаменателе – при температуре – 40 °С.

Для уменьшения действия отпускной хрупкости в легированных сталях перлитного класса необходимо снизить насыщенность феррита различными примесями вблизи границ зерен. Это может быть достигнуто увеличением общей протяженности границ зерен, т.е. вследствие резкого их измельчения. При ТЦО происходит сильное измельчение зерен, и это должно если не устранить явление отпускной хрупкости в сталях, то хотя бы сильно ослабить его. Исследования показали, что высказанное предположение полностью подтверждается.

Эксперименты проводились с выдержками при отжиге, нopмализации, закалке и отпуске ТЦО и отпуске по одному часу. Результаты испытаний стали 40Х были следующими:

201

Из приведенных данных видно, что после ТЦО сталь не обладает отпускной хрупкостью второго рода и совсем не чувствительна к скорости охлаждения.

Следовательно, ТЦО позволяет повышать работоспособность легированных сталей в условиях динамических нагрузок и повышенных температур, не превышающих температуру отпуска.

Высокотемпературная циклическая электротерми-

ческая обработка. Циклическая электротермическая обработка (ЦЭТО) легированных сталей отличается тем, что требуется после быстрых нагреваний и быстрых охлаждений. Одновременно необходимо, чтобы происходил полный распад аустенита на феррит и карбиды. Но у легированных сталей С-образная кривая распада аустенита сдвинута вправо от ординаты, т. e. распад начинается и заканчивается намного позднее, чем в нелегированных сталях. Для обеспечения распада аустенита в каждом цикле производят соответствующую по длительности выдержку при постоянной температуре. Последнее охлаждение ведется так же, как при закалке.

Таким образом, ЦЭТО легированных сталей представляет собой электронагревание со скоростью 50 град/с до температуры полной аустенитизации, охлаждение воздухом со скоростью 50 град/с до температуры наиболее быстрого изотермического распада аустенита (420−450 °С) и выдержку 200 с. По окончании выдержки производят второй, третий и последующие циклы изотермических электрозакалок. Последний термоцикл − обычная электрозакалка [38]. Термоциклической обработке по описанному режиму подвергались проволочные образцы диаметром 2,0 и длиной 225 мм из сталей 40ХН и 40ХНМ.

202

диапазонам термоциклирования. Их эффективность показана в работе [38]. Известно несколько способов ЦЭТО с переменными параметрами. Так, изучено влияние циклической электротермообработки на механические свойства и структурное состояние проволочных образцов из стали 40Х. В одном случае при неизменной скорости нагревания от цикла к циклу уменьшалась температура нагревания (рис. 6.5, а). Второй способ − повышающиеся от цикла к циклу скорости и температуры нагреваний (рис. 6.5, б). Эксперименты проводились на отожженных образцах диаметром 2,3 и длиной 300 мм. Нагревания осуществлялись пропусканием переменного электрического тока через образец. Нагревание и выдержка при обычной закалке с печным нагревом производилась в вакуумной печи, отпуск − в термостате (температуры 150, 180 и 200 °С). Выдержка при отпуске во всех случаях длилась 1 ч.

= 940 °C по сравнению с печной закалкой ЦЭТО дает повышение предела прочности образцов на 130−160 МПа, а относительного сужения − на 35 %. Механические свойства улуч-

204

стане. В результате ЦЭТО была получена необходимая зернистая структура. Размер карбидов был меньше требуемого по ГОСТу, а твердость составляла 213−228 вместо

187−207 НВ.

Увеличение размеров карбидных частиц и большее снижение твердости возможно при обработке по оптимальному режиму ЦЭТО [38].

В результате проведения ЦЭТО на установке электроконтактного нагрева, оснащенной магнитометрическим датчиком для контроля за температурой фазового перехода, были найдены основные закономерности влияния такой обработки на структуру и свойства стали ШХ15. Опыты показали, что за первый термоцикл твердость снижается с 368 до 255 НВ. После шести-семи циклов твердость равна 207 НВ. Дальнейшее снижение твердости возможно, но нецелесообразно. После трех термоциклов зеренная структура стали ШХ15 соответствовала 13−14-му номеру.

ТЦО стали 12Х2Г2НМФТ. Сталь 12Х2Г2НМФТ относится к новому классу сталей – низкоуглеродистым мартенситным сталям (НМС). Эти стали разработаны Р.И. Энтиным, Л.М. Клейнером и др. [46, 47]. В горячекатаном состоянии стали имеют структуру низкоуглеродистого мартенсита.

Исследования, проводимые на кафедре МТО, показали возможность измельчения зерна на НМС путем термоциклирования. Образцы стали 12Х2Г2НМФТ нагревали в соляной ванне (скорость нагрева 80 °С/с) до температур выше Ас3, выдержка 20 с, и охлаждали в воде. Перед ТЦО все образцы были закалены с температуры 920 °С (печной нагрев), выдержка 20 мин, охлаждение в воде. Средний размер зерна –

15 мкм.

При термоциклировании с нагревом на 900 и 1000 °С 5 циклов зерно измельчается до 1,4 и 7 мкм соответственно. Внутри диспергированных зерен при электронномикроско-

206

пическом исследовании четко видна реечная фрагментация. При зерне d = 1,5 мкм поперечный размер реек уменьшается с 200 (в исходном состоянии) до 100 нм. Механические свойства стали до и после ТЦО (по данным Л.Ц. Зайца, Ю.Н. Симонова, Д.О. Панова) приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5 Механические свойства стали 12Х2Г2НМФТ

Таким образом, высокотемпературная термоциклическая обработка НМС позволяет одновременно с повышением прочности существенно повысить ударную вязкость и измельчить фрагменты структуры вплоть до наноструктурного состояния.

Контрольные вопросы

1.Назначение ТЦО. Изменение структуры стали при этой обработке.

2.Виды и технологические параметры при ТЦО.

3.Особенности превращений, происходящих в стали при термоциклировании.

4.Особенности нагрева при ТЦО. Необходимое оборудование.

5.Применение ТЦО для улучшаемых конструкционных

сталей.

207

6.Особенности и применение ТЦО с переменными параметрами.

7.ТЦО с переменными параметрами.

8.ТЦО цветных металлов и сплавов.

9.Изменение механических свойств конструкционных сталей при предварительной объемной обработке и термоциклировании.

208

7.НАНОТЕХНОЛОГИИ

ИНАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ

МАТЕРИАЛЫ

Наноматериалы и нанотехнологии являются наиболее приоритетными для технического прогресса XXI века.

Материалы этого класса в России первоначально получили название ультрадисперсных материалов (УДМ), а в западной литературе – наноструктурных материалов (НСМ). В настоящее время обе эти терминологии равноправны, и к этому классу относят материалы с размерами морфологических элементов менее 100 нм [39, 45]. В настоящее время широко используют ультрадисперсные порошки (УДП), занимающие в США более 90 % рынка УДМ, нановолокна и нанопроволоки, нанопленки и нанопокрытия, и все большее применение начинают получать объемные наноматериалы – нанокристаллические и нанозернистые с размером зерен менее 100 нм.

Первые исследования наноматериалов показали, что

вних изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др., что весьма важно для использования на практике. Понятие «нанотехнологии», термины «наноматериалы», «наночастицы», «наноструктуры» появились в научной литературе в 70-х гг. XX века. Тем не менее нанообъектами являются многие из давно используемых человечеством материалов. Одним из самых древних примеров таких систем могут служить цветные стекла, окрашенные наночастицами металлов, технология получения которых была известна еще

вДревнем Египте. Эта технология дожила до наших дней. Например, рубиновое стекло кремлевских звезд – это высококачественное стекло, в котором «растворены» наночастицы

золота. Нанодисперсные состояния веществ реализуются в коллоидных растворах, в таких процессах как катализ, фотография и др.

209