СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИ УПРОЧНЕННОЙ БАЛКИ

Методами современного физического материаловедения выполнены исследования и проведен сравнительный анализ структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры, механических и трибологических свойств поверхности полки термомеханически упрочненной и неупрочненной двутавровой балки ДП155 из малоуглеродистой стали 09Г2С, используемой для шахтных монорельсовых дорог. Установлено, что ускоренное охлаждение балки в линии сортового стана 450 АО «ЕВРАЗ – Западно-Сибирский металлургический комбинат» (скорость прокатки 6 м/с, давление воды на секции охлаждения полки 0,22 – 0,28 МПа, температура перед холодильником приблизительно 800 °С) формирует в поверхностном слое высокодефектную структуру, характеризующуюся более высокими (по отношению к неупрочненному состоянию) значениями твердости, износостойкости, скалярной плотности дислокаций. В нетермоупрочненном состоянии значение микротвердости образцов составляет 2,70 ± 0,33 ГПа, а модуль Юнга – 269,6 ± 27,1 ГПа. Термомеханическое упрочнение материала приводит к уменьшению его микротвердости до 3,30 ± 0,29 ГПа и к увеличению модуля Юнга до 228,2 ± 25,7 ГПа соответственно. Кроме того, установлено увеличение интервала значений микротвердости с 2,20 – 3,80 ГПа до 2,64 – 4,60 ГПа и уменьшение интервала значений модуля Юнга с 208,0 – 403,0 ГПа до 184,1 – 278,2 ГПа при термомеханическом упрочнении стали. Показано, что термомеханическое упрочнение стали приводит к увеличению износостойкости поверхностного слоя ~ 1,36 раза (скорость изнашивания изменяется с 5,3·10^–5 до 2,9·10^–5 мм³/Н·м) и увеличению коэффициента трения в 1,36 раз (c 0,36 до 0,49). В нетермоупрочненном состоянии наблюдается структура дислокационного хаоса (cкалярная плотность дислокаций – (0,9 ÷ 1,0)·10¹⁰ см^–2). Высокотемпературная прокатка и последующее ускоренное охлаждение образцов приводят к формированию полосовой дислокационной субструктуры в зернах феррита и сетчатой дислокационной субструктуры в зернах мартенсита (cредняя скалярная плотность дислокаций в поверхностном слое – 4,5·10¹⁰ см^–2). Обсуждены возможные причины наблюдаемых закономерностей. 

1. Rethinam A., Shivakumar V.D., Harish L. etc. Grain refinement of C-Mn steel through thermo-mechanical processing // Journal of Engineering, Design and Technology. 2015. No.13 (2). P. 282 – 297.

2. He L., Zhang H., Cui J. Effects of thermomechanical treatment on the mechanical properties and microstructures of 6013 alloy // Journal Wuhan University of Technology, Materials Science Edition. 2009. No. 24 (2). P. 198 – 201.

3. Nemecek S., Novy Z., Stankova H. Optimization of heat treatment of TRIP steels // Metallurgia Italiana. 2006. No. 98 (2). P. 47 – 51.

4. Bakkaloglu A. Effect of thermomechanical treatment on the microstructure and mechanical properties of HSLA steels // Modelling, Measurement and Control C. 1994. No. 44 (3-4). P. 39 – 50.

5. Капуткина Л.М., Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Термомеханическая обработка стали. – М.: Металлургия, 1983. – 480 с.

6. Chen X., Huang Y., Lei Y. Microstructure and properties of 700 MPa grade HSLA steel during high temperature deformation // Journal of Alloys and Compounds. 2015. No. 631. P. 225 – 231.

7. Chen X., Huang Y. Hot deformation behavior of HSLA steel Q690 and phase transformation during compression // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 619. P. 564 – 571.

8. Тушинский Л. И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. – Новосибирск: Наука, 1990. – 306 с.

9. Термическое упрочнение проката / К.Ф. Стародубов, И.Г. Узлов, В.Я. Савенков и др. – М.: Металлургия, 1970. – 367 с.

10. Быхин Б.Б., Канаев А.Т., Капущак А.Ф., Канаев А.А. Совершенствование режимов термоупрочнения стержневой арматурной стали // Сталь. 1998. № 12. С. 46 – 48.

11. Узлов И.Г. Термомеханическое упрочнение проката – эффективный путь энергосбережения и повышения качества металлопродукции // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1999. № 5. С. 61 – 63.

12. Костерев В.Б., Белов Е.Г., Ефимов О.Ю. и др. Формирование тонкой структуры и механических свойств при ускоренном охлаждении балочного профиля // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 825, 826.

13. Костерев В.Б., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф. и др. Формирование структурно-фазовых состояний поверхности термоупрочнения // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 10. С. 43 – 46.

14. Костерев В.Б., Ефимов О.Ю. Иванов Ю.Ф. и др. Формирование градиентных структурно-фазовых состояний при термомеханическом упрочнении // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 4. С. 24 – 27.

15. Костерев В.Б., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. и др. Формирование структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры при термомеханическом упрочнении стали 09Г2С // Изв. вуз. Физика. 2011. Т. 54. № 9. С. 80 – 90.

16. Electron microscopy of thin crystals / P.B. Hirsch, A. Howie, R.B. Nicholson, D.W. Pashley, M.J. Whelan. – Melbourne: Krieger Publishing Co., 1977. – 574 p.

17. Brandon D., Kaplan W.D. Microstructural Characterization of Materials. – John Wiley & Sons Ltd., 2008. – 536 p.

18. Zou X., Hovmoller S., Oleynikov P. Electron Crystallography: Electron Microscopy and Electron Diffraction. – Oxford University Press, 2012. – 344 p.

19. Williams D.B., Carter C.B. Transmission Electron Microscopy. A Textbook for Materials Science. – Springer US, 2009. – 760 p.

20. Egerton R.F. Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. – Springer International Publishing, 2016. – 196 p.

21. Конева Н.А., Козлов Э.В. Природа субструктурного упрочнения // Изв. вуз. Физика. 1982. № 8. С. 3 – 14.