Volumetric Changes and Structural Stresses after Quenching in a Magnetic Field

Введение. Известно, что закалка стали сопровождается объёмными изменениями [1], вызванными разностью удельных объёмов превращающихся фаз. Возникающие объёмные изменения [2] приводят к структурным напряжениям в стали [3]. Присутствие напряжений в закаленном изделии [4] сказывается отрицательно на сопротивлении хрупкому разрушению, что, например, обуславливает снижение безопасности при эксплуатации стальных конструкций [5].

Наложение постоянного магнитного поля в процессе фазового превращения оказывает влияние на кинетику перехода и образующиеся продукты превращения. В работах [6][7] приведены результаты исследований изменений в тонкой структуре и фазовом составе сталей при закалке в магнитном поле. При этом показано, что при воздействии магнитного поля происходит мультипликативное зарождение кристаллов мартенсита и увеличивается темп превращения, а также повышается температура М_н до М_д с образованием мартенсита напряжения в интервале сверхпластичности превращения [8][9]. Это приводит к увеличению объёмной доли ϰ-мартенсита вследствие ранней активизации отпускного этапа свежеобразованной α-фазы, снижению объёмной доли А_ост. в инструментальных сталях, значительному утонению в мультиплетном профиле рентгеновского рефлекса {211}. Совокупность указанных обстоятельств приводит к изменениям в фазовом составе сталей, а также в структуре и свойствах продуктов превращения после закалки в магнитном поле.

Актуальной является разработка методов термической обработки (ТО), позволяющих снизить закалочные напряжения. Приведённые выше данные о перспективной технологии ТО с участием внешнего магнитного поля указывают на то, что структурные изменения, происходящие под действием магнитного поля в процессе закалочного превращения, могут сказываться на объёмном и напряжённом состоянии стали. Однако детального исследования влияния магнитного поля на изменения в напряженном состоянии закаленных сталей ранее не проводилось. В связи с вышесказанным целью настоящей работы является исследование объёмных изменений и структурных напряжений, возникающих от действия постоянным магнитным полем при закалке стали.

Материалы и методы. Исследования проводились на техническом железе и углеродистых сталях 35, 45, У8, У10, У12. Магнитные поля напряженностью H = 1,4 и 1,6 МА/м создавались в межполюсном зазоре электромагнита ФЛ-1 конструкции МГУ.

Объёмные изменения после обычной закалки и с наложением магнитного поля оценивались количественно путём измерения удельного объёма гидростатическим взвешиванием. На первом этапе образцы взвешивались в воздушной среде (P_В). Далее образцы, подвешенные на тонкую капроновую нить 8∅ ÷ 18_мкм, взвешивались в дистиллированной воде (P_Ж). Величина удельного объёма с учётом плотности дистиллированной воды δ_Ж и воздуха δ_В определялась следующим выражением:

(1)

Результаты исследования. График, представленный на рис. 1, демонстрирует влияние магнитного поля на объёмные изменения при мартенситном превращении в углеродистых сталях, при этом за нулевую отметку принято значение удельного объёма, имеющее место при обычной закалке. Можно отметить, что знак изменения удельного объёма и его величина находятся в корреляции с температурой нагрева под закалку и содержанием углерода в стали.

На рис. 1, отображающем зависимость изменения удельного объёма от содержания углерода, можно отметить следующие отличительные особенности: нулевой объёмный эффект превращения в чистом железе и стали У10 при закалке от 800 °C, отличия по знаку в изменении объёмных эффектов в сталях с содержанием углерода 0 ÷ 1,0 и 1,0 ÷ 1,2 % C. При закалке с наложением магнитного поля в сталях с 0 ÷ 1,0 % C наблюдается уменьшение, а в сталях с 1,0 ÷ 1,2 % C — увеличение удельного объёма. Максимальная величина изменений в удельном объёме наблюдается при содержании 0,5 и 1,2 % углерода. С увеличением температуры закалки наблюдаются изменения в величинах эффектов от действия поля, а также смещение точки, имевшей нулевое объёмное изменение, к более низкоуглеродистым сталям.

Возникновению структурных напряжений в сплаве способствуют объёмные изменения в процессе фазовой трансформации, а также их неоднородность распределения по микрообъёмам [10][11]. Структурные напряжения могут быть вычислены по методике расчёта, представленной в работе [12], которая позволяет определить напряжения тангенциального, осевого и радиального направления в сплошном цилиндре, если принять, что в анализируемом сечении отсутствует температурный градиент. Действие магнитного поля при закалке на структурные напряжения можно оценить с помощью выражения для вычисления тангенциальной составляющей напряжений на поверхности:

(2)

где l — относительное значение структурной деформации на этапе превращения; E — модуль упругости; μ — коэффициент Пуассона.

При оценке l были использованы объёмные характеристики фаз и данные измерения удельных объёмов образцов такого малого размера, что можно пренебречь перепадом температуры между сердцевиной и поверхностью. Данные таблицы 1 показывают, что для случая обычной закалки структурные напряжения растут с концентрацией углерода в исходной фазе и с температурой закалки.

Результаты расчёта структурных напряжений, вызванных превращениями при часовом отпуске закаленных от 1 000 °C углеродистых сталей, приведены в таблице 2.

Обсуждение и заключение. Наблюдаемые на рис. 1 эффекты для сталей с низким и средним содержанием углерода обусловлены протеканием отпускных процессов непосредственно при закалочном охлаждении в магнитном поле, а для сталей с высоким содержанием углерода — увеличением объёмной доли α-фазы. Анализ результатов теоретических расчётов [1] показывает, что для стали 45 после закалки в магнитном поле изменение Δυ = –9 ∙ 10⁻⁵ см³/г вызвано снижением содержания на 0,04 ÷ 0,05 % С в мартенсите. Наблюдающееся для стали с содержанием углерода 1,2 % изменение Δυ = 22 ∙ 10⁻⁵ см³/г обусловлено увеличением объёмной доли α-фазы на 4–5 %, если принять, что содержание углерода в мартенсите при закалке в магнитном поле не изменяется по сравнению с обычной закалкой.

Сравнение данных графика на рис. 1 и результатов исследования тонкой структуры мартенсита обычной и магнитной закалки [6][7] позволяет прийти к выводу, что изменение объёмного эффекта, вызванное приростом под действием магнитного поля количества мартенситной фазы превалирует над изменением объёмного эффекта, обусловленного ее распадом в процессе закалочного охлаждения.

Эффект от действия поля проявляется в понижении структурных напряжений в сталях с низким и средним содержанием углерода и их повышении в сталях с высокой концентрацией углерода (данные таблицы 1). Например, после закалки в магнитном поле сталей с 0,45 % и 1,2 % C с температуры 1 000 °C уровень структурных напряжений в первом случае падает на 10 %, а во втором случае возрастает на 13 %. Сравнивая полученные результаты с данными рентгеноструктурных исследований [6][7], можно отметить, что знак и величина эффектов обусловлены концентрацией углерода в исходной γ-фазе. Характерно, что есть концентрации, для которых закалка в магнитном поле незначительно изменяет значения структурных напряжений. Объяснить указанные эффекты от действия магнитным полем для сталей с низким и средним содержанием углерода можно усилением отпускных процессов непосредственно при образовании мартенсита в процессе закалки, а для сталей с высоким содержанием углерода — увеличением объёмной доли мартенсита.

Формирование остаточных напряжений в процессе закалки стали [13][14] начинается, как известно, при Т_упр — температуре перехода материала из пластичного состояния в упругое. Поэтому структурные напряжения, возникающие при закалке [15][16], складываются из напряжений, обусловленных изменением удельного объёма сплава при охлаждении от температуры Т_упр до М_н. Расчёт последних по формуле (2) показывает, что при охлаждении сплава до температуры М_н на поверхности сплошного цилиндра возникают растягивающие напряжения, превосходящие для всех исследуемых сплавов предел текучести аустенита (200 МПа). В связи с этим после закалки напряжения на поверхности сплошного цилиндра будут меньше приведенных в таблице 1 на величину предела текучести аустенита.

По данным таблицы 2 видно, что при низких температурах отпуска уровень структурных напряжений после закалки в магнитном поле для среднеуглеродистой стали 45 ниже, а для стали У12 — выше, чем после закалки без поля. Действие магнитного поля во время отпуска несколько замедляет снижение остаточных напряжений в температурном интервале распада мартенсита.

Таким образом, величина структурных напряжений после термической обработки в магнитном поле при отсутствии температурного градиента по сечению в значительной мере определяется эффектами, полученными при закалке в магнитном поле. Усиление явлений распада мартенсита вызывает снижение, а увеличение полноты мартенситного превращения — повышение уровня структурных напряжений.