blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-8-613-620blackmet-1692Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСтруктура и свойства слоя, наплавленного на сталь ХАРДОКС 450 борсодержащей проволокойStructure and properties of layer, surfaced on HARDOX 450 steel by boron containing wireИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Chief Researcher

yufi55@mail.ruГромовВ. Е.GromovV. E.

д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel

gromov@physics.sibsiu.ruРомановД. А.RomanovD. A.

д.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Science named after V.M. Finkel

romanov_da@physics.sibsiu.ruКлопотовА. А.KlopotovA. A.

д.ф.-м.н., профессор, научный сотрудник

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Research Associate

klopotovaa@tsuab.ruРубанниковаЮ. А.RubannikovaYu. A.

магистрант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

MA Student of the Chair of Science named after V.M. Finkel

rubannikova96@mail.ruИнститут сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетРоссияInstitute of High Current Electronics; National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationСибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова Томского государственного университетаРоссияV.D. Kuznetsov Siberian Physics and Technics Institute (SPTI TSU)Russian Federation201912092019628613620Copyright © Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Романов Д.А., Клопотов А.А., Рубанникова Ю.А., 20192019Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Романов Д.А., Клопотов А.А., Рубанникова Ю.А.Ivanov Y.F., Gromov V.E., Romanov D.A., Klopotov A.A., Rubannikova Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1692

Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структурно-фазовых состояний и свойств слоев, сформированных на низкоуглеродистой стали Хардокс 450 наплавочными проволоками с содержанием бора 4,5 и 6,5 % (по массе). В исходном состоянии сталь Хардокс 450 имеет структуру отпущенного мартенсита, в объеме и по границам кристаллов которого расположены частицы цементита. Частицы, расположенные в объеме, имеют игольчатую форму, а по границам – преимущественно округлую. Выявленные экстинкционные изгибные контуры свидетельствуют о кривизне кручения кристаллической решетки данного участка материала, начинаются и заканчиваются на границах раздела кристаллов мартенсита. Скалярная плотность хаотически распределенных дислокаций и формирующих сетчатую субструктуру составляет 6,2·1010 см–2. Микротвердость наплавленного на сталь Хардокс 450 слоя более чем в два раза превышает микротвердость основы. Анализ диаграмм состояния систем Fe – C, Fe – B, B – C и политермических сечений в системе Fe – C – B показал, что быстрое охлаждение из жидкого состояния сплавов Fe23C6 – Fe23B6 способствует образованию многофазных структурных состояний. Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии установлено, что причинами высокой микротвердости поверхностных слоев являются: образование боридов железа и кристаллов ультрамелкодисперсного (до 100 нм) пакетного мартенсита с высокой (~1011 см–2) скалярной плотностью дислокаций; наличие в объеме и по границам кристаллов мартенсита наноразмерных частиц карбидов железа и бора; высокий уровень кривизны кручения кристаллической решетки боридов железа и зерен α-фазы, обусловленный внутренними полями напряжений вдоль межфазных (границы раздела кристаллов боридов железа и зерен α-фазы) и внутрифазных (границы раздела боридов железа и кристаллов мартенсита в пакете) границ. Увеличение концентрации бора от 4,5 до 6,5 % сопровождается значительным (в 1,2 – 1,5 раза) повышением твердости наплавляемого слоя, что обусловлено увеличением размеров и относительного содержания областей боридов железа в 1,5 – 2,0 раза.

Analysis of structure phase states and properties of the layers formed on HARDOX 450 low alloy steel by welded-on wires with boron content of 4.5 and 6.5 % wt. was made by the methods of modern physical material science. In the initial state HARDOX 450 steel has the structure of tempered martensite, in the volume and along the boundaries of crystals of it the cementite particles are located. The particles located in the volume have acicular shape and those along boundaries are mainly round. The presence of extinction bend contours has been revealed, indicative of the curvature torsion of crystal lattice of the material’s portion. They originate and finish on the interfaces of martensite crystals. Scalar density of chaotically located dislocations and forming the netlike substructure is 6.2·1010 cm–2. The layer welded on HARDOX 450 steel has microhardness increasing by more than two-fold that of the base. Analysis of state diagrams of Fe – C, Fe – B, B – C systems and polythermal cross–sections in Fe – C – B system has shown that the rapid cooling of Fe23C6 – Fe23B6 alloys from liquid state would facilitate the formation of multiphase structural states. It is stated by the methods of transmission electron diffraction microscopy that the reasons for the high microhardness level of the surface layers are the following: formation of iron borides and crystals of ultafine-dispersion (up to 100 nm) packet martensite with high level (~1011 cm–2 ) of scalar density of dislocations; presence of nanodimentional particles of iron and boron carbides in the volume and on the boundaries of martensite crystals; high level of curvature torsion of crystal lattice of iron borides and α-phase grains, caused by the internal stress fields along interphase (interface of iron boride crystals and α-phase grains) and intraphase boundaries (interface of iron borides and martensite crystals packet). Increase in boron concentration from 4.5 to 6.5 % is accompanied by the sufficient increase (by 1.2 – 1.5 times) in hardness of welded layer. It is caused by the increase of dimensions and relative content of iron boride regions by 1.5 – 2.0 times.

наплавкаборсодержащая проволокаструктурамикротвердостьфазовый составweldingboron containing wirestructuremicrohardnessphase compositionReferencesGromov V.E., Kapralov E.V., Raikov S.V., Ivanov Yu.F., Budovskikh E.A. Structure and properties of the wear-resistant coatings fused on steel with flux cored wires by an electric arc method // Progress in Physics of Metals. 2014. Vol. 15. No. 4. P. 213 – 234.Gromov V.E., Kapralov E.V., Raikov S.V., Ivanov Yu.F., Budovskikh E.A. Structure and properties of the wear-resistant coatings fused on steel with flux cored wires by an electric arc method. Progress in Physics of Metals. 2014, vol. 15, no. 4, pp. 213–234.Райков С.В., Капралов Е.В., Иванов Ю.Ф., Будовских Е.А., Громов В.Е. Строение по глубине износостойкого покрытия, полученного электродуговым методом на стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 2. С. 121 – 126.Raikov S.V., Kapralov E.V., Ivanov Yu.F., Budovskikh E.A., Gromov V.E. Depth structure of wear resistant coating on steel obtained by electric arc method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2015, vol. 58, no. 2, pp. 121–126. (In Russ.).Raykov S.V., Kapralov E.V., Vaschuk E.S., et.al. Structure of the Surface Layer of a Wear-Resistant Coating after Treatment with a High-Intensity Electron Beam // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2015. Vol. 9. No. 5. P. 934 – 938.Raykov S.V., Kapralov E.V., Vaschuk E.S., etc. Structure of the surface layer of a wear-resistant coating after treatment with a high-intensity electron beam. Journal of Surface Investigation. X­ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2015, vol. 9, no. 5, pp. 934–938.Kumar C.S.S.R. (Ed.) Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials. – New York: Springer, 2014. – 717 p.Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials. Kumar C.S.S.R. ed. New York: Springer, 2014, 717 p.Barry Carter C., David B. Transmission Electron Microscopy. – Berlin: Springer International Publishing, 2016. – 518 p.Barry Carter C., David B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016, 518 p.Egerton R.F. Physical Principles of Electron Microscopy (An Introduction to TEM, SEM, and AEM). Second Edition. – Springer International Publishing Switzerland, 2016. – 191 p.Egerton R.F. Physical Principles of Electron Microscopy (An Introduction to TEM, SEM, and AEM). 2nd ed. Springer International Publishing Switzerland, 2016, 191 p.Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996 – 2000. Т. 1-3.Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh sistem [State diagrams of double metallic systems]. Lyakishev N.P. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1996 – 2000, vols. 1-3. (In Russ.).Villars P., Calevrt L.D. Pearson’s Hanbook of Crystallographic Data for Intermetallic Phases. Vols. 1-3. – Ohio: Metals Park, 1986. – 3258 p.Villars P., Calevrt L.D. Pearson’s Hanbook of Crystallographic Data for Intermetallic Phases. Vols. 1-3. Ohio: Metals Park, 1986, 3258 p.Rogl P.F., Vrestal J., Tanaka T., Takenouchi S. The B-rich side of the B–C phase diagram // Calphad. 2014. Vol. 44. P. 3 – 9.Rogl P.F., Vrestal J., Tanaka T., Takenouchi S. The B-rich side of the B–C phase diagram. Calphad. 2014, vol. 44, pp. 3–9.Khan Y., Wibbeke H. Formation of the τ-Phase in the Fe-B Alloys // Z. Metallkd. 1991. Vol. 82. No. 9. P. 703 – 705.Khan Y., Wibbeke H. Formation of the τ-Phase in the Fe-B Alloys. Z. Metallkd. 1991, vol. 82, no. 9, pp. 703–705.Rogl P. The System B-N-Fe. – In book: Phase Diagrams of Ternary Boron Nitride and Silicon Nitride Systems / P. Rogl, J.C. Schuster eds. – ASM, Materials Park, OH, 1992. P. 33 – 36.Rogl P. The System B-N-Fe. In: Phase Diagrams of Ternary Boron Nitride and Silicon Nitride Systems. Rogl P., Schuster J.C. eds. ASM, Materials Park, OH, 1992, pp. 33–36.Zhang Y.D., Budnick J.I., Sanchez, Hines W.A., Yang D.P., Livingston J.D. NMR-studies in Orthorhombic Fe3B1-ХCХ (0.1 ≤ x ≤ 0.4) // Journal of Applied Physics. 1987. Vol. 61. No. 8. P. 4358 – 4360.Zhang Y.D., Budnick J.I., Sanchez, Hines W.A., Yang D.P., Livingston J.D. NMR-studies in orthorhombic Fe3B1 – xCx (0.1 ≤ x ≤ 0.4). Journal of Applied Physics. 1987, vol. 61, no. 8, pp. 4358–4360.Lentz J., Röttger A., Theisen W. Solidification and phase formation of alloys in the hypoeutectic region of the Fe–C–B system // Acta Materialia. 2015. Vol. 99. P. 119 – 129.Lentz J., Röttger A., Theisen W. Solidification and phase formation of alloys in the hypoeutectic region of the Fe–C–B system. Acta Materialia. 2015, vol. 99, pp. 119–129.Borlera M.L., Pradelli G. On the System Fe-B-C (in Italian) // La Metallurgia Italiana. 1968. Vol. 60. No. 3. P. 140 – 146.Borlera M.L., Pradelli G. On the System Fe-B-C. La Metallurgia Italiana. 1968, vol. 60, no. 3, pp. 140–146. (in Italian).Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. – М.: Металлургия, 1994. – 288 с.Schastlivtsev V.M., Mirzaev D.A., Yakovleva I.L. Struktura termicheski obrabotannoi stali [Structure of heat treated steel]. Moscow: Metallurgiya, 1994, 288 p. (In Russ.).Бернштейн М.Л., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д. Отпуск стали. – М.: МИСИС, 1997. – 336 с.Bernshtein M.L., Kaputkina L.M., Prokoshkin S.D. Otpusk stali [Steel tempering]. Moscow: MISIS, 1997, 336 p. (In Russ.).Курдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. – М.: Наука, 1977. – 236 с.Kurdyumov V.G., Utevskii L.M., Entin R.I. Prevrashcheniya v zheleze i stali [Transformations in iron and steel]. Moscow: Nauka, 1977, 236 p. (In Russ.).Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Электронно-микроскопический анализ мартенситной фазы стали 38ХН3МФА // Изв. вуз. Черная металлургия. 1991. № 8. С. 38 – 41.Ivanov Yu.F., Kozlov E.V. Electron-microscopic analysis of martensitic phase of 38KhN3MFA steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1991, no. 8, pp. 38–41. (In Russ.).Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан. – М.: Мир, 1968. – 574 с.Hirsch P.B., Howie A., Nicholson R., Pashley D.W., Whelan M.J. The Electron Microscopy of Thin Crystals. Butterworths, 1965, 549 p. (Russ.ed.: Hirsh P., Howie R., Nicholson R. Elektronnaya mikroskopiya tonkikh kristallov. Moscow: Mir, 1968, 574 p.).Структурно-фазовые состояния и механизмы упрочнения деформированной стали / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Н.А. Попова, С.В. Коновалов, Н.А. Конева. – Новокузнецк: Полиграфист, 2016. – 510 с.Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Popova N.A., Konovalov S.V., Koneva N.A. Strukturno­fazovye sostoyaniya i mekhanizmy uprochneniya deformirovannoi stali [Structural phase states and hardening mechanisms of deformed steel]. Novokuznetsk: Poligrafist, 2016, 510 p. (In Russ.).Конева Н.А., Козлов Э.В. Природа субструктурного упрочнения // Изв. вуз. Физика. 1982. № 8. С. 3 – 14.Koneva N.A., Kozlov E.V. Nature of substructural hardening. Soviet Physics Journal. 1982, vol. 25, no. 8, pp. 681–691. (In Russ.).Конева Н.А., Козлов Э.В., Тришкина Л.И., Лычагин Д.В. Дальнодействующие поля напряжений, кривизна-кручение кристаллической решетки и стадии пластической деформации. Методы измерений и результаты. – В кн.: Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела. Сб. трудов международной конференции. – Томск: ТГУ, 1990. С. 83 – 93.Koneva N.A., Kozlov E.V., Trishkina L.I., Lychagin D.V. Longrange stress fields, curvature-torsion of the crystal lattice and stages of plastic deformation. Measurement methods and results. In: Novye metody v fizike i mekhanike deformiruemogo tverdogo tela. Sb. trudov mezhdunarodnoi konferentsii [New methods in physics and mechanics of a deformable solid. Proceedings of Int. Conf.]. Tomsk: TGU, 1990, pp. 83–93. (In Russ.).Иванов Ю.Ф. Исследование дислокационной субструктуры кристаллов мартенситной фазы конструкционных сталей, подвергнутых различным режимам термической обработки. – В кн.: Сб. трудов «Эволюция дислокационной структуры, упрочнение и разрушение сплавов». – Томск: ТГУ, 1992. С. 52 – 59.Ivanov Yu.F. Dislocation substructure of martensitic phase crystals of structural steels subjected to various heat treatment modes. In: Sb. trudov: Evolyutsiya dislokatsionnoi struktury, uprochnenie i razrushenie splavov [Evolution of dislocation structure, hardening and destruction of alloys: Coll. of Sci. Papers]. Tomsk: TGU, 1992, pp. 52–59. (In Russ.).Закаленная конструкционная сталь: структура и механизмы упрочнения / Ю.Ф. Иванов, Е.В. Корнет, Э.В. Козлов, В.Е. Громов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. – 174 с.Ivanov Yu.F., Kornet E.V., Kozlov E.V., Gromov V.E. Zakalen­ naya konstruktsionnaya stal’: struktura i mekhanizmy uprochneniya [Hardened structural steel: structure and hardening mechanisms]. Novokuznetsk: izd. SibGIU, 2010, 174 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.