Углеродистые и низколегированные стали

Для исследования были выбраны следующие марки углеродистых и низколегированных сталей: 20, 30, 40, 48, V10, 17ГС, 40ХН, ЗОХГС, 35ХМ, 45Г2, 55G2, 40XH5G, тина 50GXHM, ШХ-15 (табл. 8). Углеродистые и низколегированные стали склонны к образованию крупнокристаллической структуры, вследствие чего центральная зона слитков, получаемых в машине непрерывной разливки, поражена порами. Особой склонностью к образованию крупной структуры отличается сталь 40ХН, зона крупных столбчатых кристаллов в этой стали простирается до самого центра слитка.

Ультразвуковая обработка углеродистых сталей показала, что до-эвтектоидные стали с содержанием углерода менее 0,4% плохо обрабатываются ультразвуком. Если к преобразователю подводится мощность колебаний 2,5 кет на 1 кг обрабатываемого металла, то структура сталей 20, 30, 40 не изменяется. Структурные изменения в стали 40 наблюдались лишь при повышении мощности до 3,5 квт/кг. Под влиянием ультразвука грубая ферритная сетка, наблюдаемая в необработанных (контрольных) слитках, раздробляется, зерно становится более мелким.

В сталях У8 и У10 под влиянием ультразвука мощностью 1,5—2 квт!кг наблюдалось существенное измельчение зерна (в контрольных слитках балл микрозерна — первый, в обработанных ультразвуком — пятый— седьмой).

Наблюдаемый характер изменения ультразвуковой обрабатываемости сталей в зависимости от содержания углерода связан с особенностями диаграммы состояния железо—углерод (шириной температурного интервала кристаллизации) и прочностью растущих кристаллов.

Наибольшей прочностью обладает сталь, содержащая 0,18% углерода и имеющая наименьший интервал кристаллизации. При уменьшении и особенно при увеличении содержания углерода предел прочности падает. Как показали проведенные ранее исследования, степень обрабатываемости уменьшается с увеличением прочности растущих кристаллов и уменьшением температурного интервала кристаллизации.

На стали 40 было опробовано совместное воздействие упругих колебаний и модификаторов. В качестве модификатора для стали 40 использовался титан в количестве 0,08—0,1%. При введении в расплав модификатора происходит измельчение зерна. Совместное влияние модификатора и ультразвука приводит к образованию мелкого зерна перлита с раздробленной местами ферритной сеткой. Эта структура напоминает равновесную структуру отожженной среднеуглеродистой стали (рис. 21).

твердость HV) возрастают на 15—50% в зависимости от варианта обработки х. При этом пластические свойства (относительное удлинение 8 и поперечное сужение ф), а также ударная вязкость (ан) соответственно

падают. Можно предположить, что упрочнение в этом случае связано с образованием мелкого равноосного зерна и более равномерным распределением модификатора в а-твердом растворе под действием ультразвука.

Термическая обработка (отжиг при температуре 850° С в течение 3 час, закалка с 850° С в воду) не устранила различий в свойствах. Так, твердость после закалки в образце из контрольного слитка была 350 HV, обработанного ультразвуком с введенным модификатором — 550 HV. В результате высокотемпературного отпуска различие в твердости несколько уменьшилось. В контрольном слитке твердость снизилась до 240 HV, в обработанном — до 285 HV.

Как показали дополнительные исследования, совместное действие ультразвука и модификатора увеличило прокаливаемость стали. Ультразвуковая обработка низколегированных сталей (17ГС, ЗОХГС и 35ХН) при подводимой к преобразователю мощности 2,5 квт/кг не вызвала измельчения зерна. Ультразвук такой же мощности в сталях 40ХН, 45Г2, 40ХН5С, типа 50СХНМ, 55С2, ШХ-15 вызвал измельчение зерна, причем в тем большей степени, чем выше содержание углерода в стали.

Структурные изменения в низколегированных сталях приводят к повышению характеристик пластичности на 30—40% при некотором повышении (10%) предела прочности (табл. 9). Деформация и термическая обработка уменьшают степень различия в свойствах контрольных и обработанных слитков, но все же в сталях 40ХН5С и типа 50СХМ после термомеханической обработки в материале, который был обработан ультразвуком, наблюдалось некоторое повышение пластичности и прочности.

После термомеханической обработки сталей 40ХН5С 3 и типа 50СХНМ пластичность их снижается при низких температурах.

Определение ударной вязкости в образцах стали 40ХН5С, вырезанных в направлении прокатки, показало, что при температуре около —100° С в образцах из контрольного слитка наблюдается резкий переход к хрупкому разрушению, тогда как в обработанном ультразвуком материале такого перехода не наблюдалось до температуры —190° С (рис. 22).

Данные о механических свойствах стали типа 50СХНМ после термомеханической обработки приведены в табл. 9.

При обработке стали ШХ-15 преследовалась цель выяснить влияние ультразвука на развитие структурной полосчатости и дендритной ликвации, а также форму и распределение неметаллических включений. Ультразвуковая обработка стали, выплавляемой в вакуумной дуговой печи, привела к измельчению структуры излома (рис. 23) и микрозерна, балл структурной полосчатости снизился от 3 в контрольном слитке до 1 в обработанном. Ультразвук способствовал измельчению и более равномерному распределению по объему слитка неметаллических включений. Так, балл сульфидных включений снизился с 4 в контрольном слитке до 1 в обработанном ультразвуком. Влияние ультразвука на дендритную ликвацию в стали ШХ-15 исследовалось с помощью рентгеновского микроанализатора, позволяющего определять содержание ликвирующего элемента в осях дендритов и междуосных пространствах [25].

Исследовались образцы из наружной и центральной областей контрольного и обработанного ультразвуком слитка. Установлено, что ультразвук оказывает существенное влияние на степень дендритной ликвации в исследованных областях. Так, степень ликвации хрома (отношение концентрации в оси дендрита к концентрации в междендритном пространстве) в контрольном слитке составляла 1,9, а в обработанном 1,1. На рис. 24 приведены кривые распределения хрома в осях и междендритных пространствах в контрольном и обработанных ультразвуком образцах.