МИКРОСТРУКТУРА  И  РАСПРЕДЕЛЕНИЕ  УГЛЕРОДА  ПОСЛЕ  ОБЪЕМНОГО  НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ  КОНСТРУКЦИОННОЙ  СТАЛИ  09Г2С

Мордовской  Петр  Григорьевич

младший  научный  сотрудник,  Институт  физико-технических  проблем  Севера  им.  В.П.  Ларионова  СО  РАН,  РФ,  г.  Якутск

E -mail:  mordov@yandex.ru

Яковлева  Софья  Петровна

проф.,  д-р  техн.  наук,  зав.  отделом  материаловедения,  Институт  физико-технических  проблем  Севера  им.  В.П.  Ларионова  СО  РАН,  РФ,  г.  Якутск

E-mail: 

Махарова  Сусанна  Николаевна

канд.  техн.  наук,  ведущий  научный  сотрудник,  Институт  физико-технических  проблем  Севера  им.  В.П.  Ларионова  СО  РАН,  РФ,  г.  Якутск

E-mail: 

MICROSTRUCTURE  AND  DISTRIBUTION  OF  CARBON  AFTER  VOLUME  NANOSTRUCTURING  OF  CONSTRUCTION  STEEL  09G2S

Petr  Mordovskoi

junior  research  scientist,  Institute  of  Physical  and  Technical  Problems  of  the  North  SB  RAS,  Russia  Yakutsk

Sophia  Yakovleva

professor,  Doctor  of  Science,  Head  of  Material  Science  department,  Institute  of  Physical  and  Technical  Problems  of  the  North  SB  RAS,  Russia  Yakutsk

Susanna  Maharova

candidate  of  Science,  leading  research  scientist,  Institute  of  Physical  and  Technical  Problems  of  the  North  SB  RAS,  Russia  Yakutsk

АННОТАЦИЯ

В  работе  исследованы  микроструктура  и  распределение  углерода  в  низкоуглеродистой  конструкционной  стали  09Г2С  после  объемного  наноструктурирования  методом  равноканального  углового  прессования  (РКУП)  и  последующего  низкотемпературного  отжига  при  350  °С.  Проведены  сканирующая  электронная  микроскопия  и  микрорентгеноспектральный  анализ  структуры  материала.  После  РКУП  и  отжига  получена  структура  с  ультрамелкозернистым  ферритом  и  равномерно  распределенными  в  ферритной  матрице  наноразмерными  карбидами.

ABSTRACT

We  studied  the  microstructure  and  distribution  of  carbon  after  the  volume  nanostructuring  by  equal-channel  angular  pressing  (ECAP)  and  subsequent  low-temperature  annealing  at  350  °C.  We  performed  scanning  electron  microscopy  and  micro  x-ray  spectral  analysis  of  the  structure.  After  ECAP  and  annealing  obtained  structure  with  ultrafine-grained  ferrite  and  uniformly  distributed  in  the  ferrite  matrix  nanoscale  carbides.

Ключевые  слова:   объемное  наноструктурирование;  равноканальное  угловое  прессование;  структура;  микрорентгеноспектральный  анализ.

Keywords:   volume  nanostructuring;  equal-channel  angular  pressing;  structure;  micro  x-ray  spectral  analysis.

РКУП  разработано  В.М.  Сегалом  в  1970-х  годах.  В  начале  90-х  годов  Р.З.  Валиевым  с  соавторами  [1]  данная  обработка  металлических  материалов  была  развита  и  впервые  применена  как  метод  интенсивной  пластической  деформации  (ИПД)  для  получения  структур  с  субмикрокристаллическим  и  нанометрическим  размером  зерен.  Комбинация  РКУП  и  низкотемпературного  отжига  является  перспективной  технологией  получения  наноструктуры  во  всем  объеме  обработанного  материала,  что  обуславливает  получение  уникальных  физико-механических  свойств. 

Материалы  и  методика  исследования.   Исследования  проведены  на  широко  применяемой  в  условиях  холодного  климата  конструкционной  ферритно-перлитной  стали  09Г2С.  Химический  состав  представлен  в  табл.  1.  Заготовки  стали  09Г2С  диаметром  20  мм  и  длиной  100  мм  продавливали  через  матрицу  с  углом  пересечения  каналов  90°  при  20°  С  с  двумя  циклами  прессования  по  маршруту  Вс  (рис.  1).  Затем  проводили  термическую  обработку  (ТО)  низкотемпературный  отжиг  при  350°  С  в  течение  1  часа.

Таблица  1. 

Химический  состав  стали  09Г2С,  %.

Рисунок  1.  Схема  РКУП

Сканирующую  электронную  микроскопию  проводили  на  приборе  Mira3Tescan.  Микрораспределение  химических  элементов  проведено  методом  микрорентгеноспектрального  анализа  при  сканировании  с  помощью  прибора  JEOL  JSM-6480LV  (луч  диаметром  ~2  мкм,  Kα-излучение).

Результаты  и  обсуждение.  Структура  стали  09Г2С  в  исходном  состоянии  ферритно-перлитная  (рис.  2,  а)  средний  размер  зерен  феррита  составляет  10-20  мкм. 

                            а                                                             б

Рисунок  2.  Микроструктура  стали  09Г2С  в  исходном  состоянии  (а)  и  после  РКУП  и  ТО  при  350°  С  (б).

После  РКУП  структура  состоит  из  распределенных  в  деформированной  ферритной  матрице  обособленных  карбидов  диаметром  ~300…500  нм  и  карбидных  конгломератов,  средний  размер  ферритных  областей  свободных  от  перлита  равен  ~5  мкм  [2].  При  последующем  нагреве  до  350°  С  размер  ферритных  площадок  становиться  менее  2  мкм,  продолжается  процесс  диспергирования  карбидов  до  первых  десятков  нм,  происходит  их  растворение,  сопровождающееся  сфероидизацией  и  рассредоточением  карбидов,  что  хорошо  видно  при  больших  увеличениях  (рис.  2,  б).

  В  колониях  пластинчатого  перлита  при  деформировании  первоначально  меняются  межпластиночные  расстояния;  в  пластинах  феррита,  как  и  в  матричном  феррите,  идет  формирование  развитой  ячеистой  структуры,  пластины  цементита  постепенно  истончаются  и  фрагментируются.

Для  анализа  микроструктуры  наноструктурированной  стали  09Г2С  был  проведен  микрорентгеноспектральный  анализ,  были  выбраны  следующие  точки  в  темных  (1—4),  светлых  (5—8)  и  серых  (9—12)  областях  (рис.  3). 

В  табл.  2  и  рис.  3  представлены  результаты  микрорентгеноспектрального  анализа.  В  темных  областях  снимка  содержание  углерода  минимально  (спектры  2  и  3),  кроме  области  1  и  4  (пора),  в  которой  по  всей  видимости  находиться  свободный  графит.  Светлые  области  (спектры  5—8)  показали  содержание  углерода  от  0,072  до  0,084  %.  Серые  области  (спектры  9—12)  практически  не  содержат  углерод.  Можно  предположить,  что  в  серых  областях  расположен  феррит  с  растворимостью  углерода  0,02—0,03  %,  а  в  светлых  областях  вдоль  границ  зерен  феррита  расположены  скопления  карбидов.

Таблица  2.

Микрорентгеноспектральный  анализ.  Содержание  углерода  по  точкам

Рисунок  3.  Микрораспределение  химических  элементов  в  образце  после  РКУП  и  ТО  при  350  ^оС:  области  проведения  микрорентгеноспектрального  анализа  (а);  линии  рентгеновского  спектра  в  точке  3  (б)  и  в  точке  6  (в)

Выводы:

1.  Микроструктура  после  РКУП  и  низкотемпературного  отжига  при  350°  С  состоит  из  фрагментированных  вытянутых  зерен  феррита  со  средним  размером  зерен  ~2  мкм.

2.  Микрорентгеноспектральный  анализ  показал,  что  после  РКУП  и  низкотемпературного  отжига  при  350°  С  происходит  измельчение  до  первых  десятков  нанометров,  сфероидизация  и  перераспределение  карбидов  вдоль  границ  фрагментированного  феррита.

Список  литературы:

1.Валиев  Р.З.,  И.В.  Александров.  Наноструктурные  материалы,  полученные  интенсивной  пластической  деформацией.  М.:  Логос,  2000.  —  272  с.

2.Яковлева  С.П.,  Махарова  С.Н.,  Борисова  М.З.  Образование  наноразмерных  элементов  структуры  в  стали  09Г2С  при  низкотемпературном  отжиге  после  интенсивной  пластической  деформации  //  Сб.  материалов  III  межд.  конференции  «Деформация  и  разрушение  материалов  и  наноматериалов»  (12—12  октября  2009  г.,  М.).  М.:  Интерконтакт  Наука,  —  2009.  —  Т.  1.  —  С.  256—257.