ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТПУСКА НА МАГНИТНЫЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ СТАЛИ ШХ15СГ

В процессе эксплуатации машин и агрегатов их узлы испытывают высокие нагрузки, вследствие чего упругие механические напряжения могут приводить к нагреву деталей. Как следствие, происходит изменение прочностных свойств металла из-за перераспределения углерода, обусловленное фазовыми превращениями во время циклов нагрева и остывания. Своевременный контроль фазового состава может помочь избежать поломок и аварий.

Для контроля фазового состава сталей широко применяются магнитные методы контроля. В работе

Целью настоящей работы является исследование влияния низкотемпературного отпуска с различными температурами на размеры карбидов в микроструктуре образцов стали марки ШХ15СГ, на магнитные характеристики (коэрцитивную силу, намагниченность насыщения, магнитную восприимчивость) и твердость. Результаты исследования могут быть использованы в магнитной структуроскопии

Для проведения исследования были изготовлены 5 образцов с линейными размерами 66,2 × 11,6 × 5,7 мм (рис. 1). Состав стали ШХ15СГ представлен в табл. 1.

Образцы были закалены с температурой нагрева 850 °C и отпущены соответственно номерам при температурах: 20, 100, 150, 200 и 250 °C. После термообработки на образцах измеряли коэрцитивную силу, намагниченность насыщения, магнитную восприимчивость, твердость и размеры карбидов. Для измерения магнитных свойств использовалась автоматическая установка «Remagraph C-500», для измерения твердости – твердомер «Точприбор ТР-5006». Микроструктура рассматривалась с помощью металлографического оптического микроскопа «Neophot 32»; для подготовки поверхности образцы шлифовались, полировались и травились в 4% спиртовом растворе азотной кислоты для лучшего различения карбидной фазы.

Рисунок 1 - Внешний вид изготовленных образцов

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.167.2

На рис. 2 представлены петли гистерезиса для каждого образца с соответствующей ему температурой отпуска; по оси ординат отложена магнитная поляризация  

[5]

. Зависимости коэрцитивной силы, намагниченности насыщения, магнитной восприимчивости и твердости по Роквеллу от температуры отпуска показаны на рис. 3. Результаты измерения размеров карбидной фазы приведены в табл. 2.

Рисунок 2 - Кривые намагничивания для образцов с различными температурами отпуска

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.167.3

Выравнивание магнитных свойств по объему образцов в результате распада мартенсита во время низкотемпературного отпуска приводит к уменьшению коэрцитивной силы. Чем выше температура отпуска, тем ниже коэрцитивная сила. Парамагнитный остаточный аустенит, образующийся в результате закалки в небольших количествах, распадается при температурах отпуска выше 150 °C, вследствие чего намагниченность насыщения резко возрастает с увеличением температуры отпуска. Твердость стали убывает с увеличением температуры отпуска, что объясняется распадом мартенсита и остаточного аустенита

[11]

.

Рисунок 3 - Зависимости от температуры отпуска

Примечание: а - коэрцитивной силы, б - намагниченности насыщения, в - магнитной восприимчивости, г - твердости по шкале Роквелла 

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.167.4

Микроструктура образцов представляет собой мартенсит, остаточный аустенит и карбиды (рис. 4). Для лучшего различения карбидов фотографии были переведены в монохромные цвета. Черные области снимков – мартенсит, яркие белые – карбиды. Объемная доля и морфология карбидов изменяются при варьировании температуры отпуска. С увеличением температуры отпуска количество углерода, переходящего из растворяющихся мартенсита и аустенита в новые карбидные образования, увеличивается, вследствие чего дисперсность карбидов увеличивается, а их размеры уменьшаются (см. табл. 2).

Рисунок 4 - Микроструктура образцов при температурах отпуска

Примечание: а) 20 °C, б) 100 °C, в) 150 °C, г) 200 °C, д) 250 °C

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.167.5

В каждом из полученных результате исследования выбиваются данные для образца с температурой отпуска 100 °C: значения либо такие же, как при температуре 20 °C, либо незначительно отклонены в обратных направлениях общих тенденций изменения измеряемых величин. Это происходит ввиду того, что в углеродистых сталях первое превращение мартенсита при отпуске происходит в интервале температур (90 – 180 °C), в результате чего образуется т.н. отпущенный мартенсит с меньшей концентрацией углерода, при этом остается также не испытавший распада мартенсит

В ходе проведения исследования возникли трудности пробоподготовки из данной стали для металлографических исследований, заключающиеся в получаемой на конечном этапе подготовки образцов шероховатости. Шероховатость представляет из себя лунки диаметром, приблизительно равным размеру зерна на абразивном инструменте с меньшей зернистостью. Это объясняется тем, что применяемыми абразивами с меньшей зернистостью, наряду с типичными для данного абразива, образуются риски с большей глубиной. Данные риски не удаляются на следующих стадиях, и различить их невооруженным глазом в процессе подготовки образцов не представляется возможным. Такой результат пробоподготовки является неудовлетворительным для проведения металлографических исследований. 

Причины, по которым получается вышеописанный результат при подготовке поверхности подобных образцов:

1. Рекомендуемая площадь образца для металлографии составляет от 2 до 5 см2.

2. Приложение недостаточного или избыточного усилия к образцу при шлифовании абразивами различной зернистости. Как было отмечено, вопрос о прилагаемом к образцу усилии недостаточно изучен. Если усилие на крупнозернистых абразивах было выше усилия на последующих абразивах, избавиться от рисок, оставленных с предыдущего этапа, может быть затруднительно из-за все того же попадания частиц металла и абразива в глубокие риски;

3. Неоконченное шлифование абразивом одной зернистости и последующий переход на абразив с большей зернистостью.

Опытным путем была получена и проверена на 5 образцах одинаковых размеров методика по подготовке поверхности для металлографических исследований. Эта методика позволяет добиться зеркальности поверхности и избавиться от шероховатости.

Сформулированы следующие правила:

1. Абразивные бумаги должны быть сухими и очищены от частиц металла, оставленных от предыдущего их использования;

2. Поверхность, на которой лежит абразивная бумага, на которой шлифуется образец, должна быть ровной. Для соблюдения этого условия необходимо использовать, например, стекло;

3. Шлифование нужно проводить не на одной подложенной абразивной бумаге, а на нескольких для того, чтобы уменьшить жесткость возможных неровностей. После завершения шлифования на одной абразивной бумаге, ее следует убирать, чтобы избежать попадания оторванных частиц металла и абразива на следующую;

4. После завершения шлифования на каждой абразивной бумаге образец нужно промывать водой, а затем тщательно сушить, протирая сухой бумагой;

5. Шлифование на абразиве одной зернистости нужно проводить до полного исчезновения рисок от предыдущего абразива. Для проверки этого условия при осмотре поверхности рекомендуется менять ориентацию образца на свету или использовать микроскоп на наименьшем приближении.

1. В работе исследованы изменения магнитных и механических свойств, а также структуры стали ШХ15СГ в зависимости от температуры отпуска. Получены кривые зависимостей величин, характеризующих магнитные и механические свойства стали, от температуры отпуска.

2. Опытным путем получены и сформулированы рекомендации по пробоподготовке образцов из данной стали.