Intercerical Quenching of Low-Carbon Steel with the Formation of a Disperse Multiphase Structure

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The advanced steel 10H3G3MFS (C = 0.1, Mn = 2.51, Cr = 2.75, Mo = 0.40, V = 0.12, Si = 1.25), developed for oil-producing engineering, has good workability and strength characteristics, but the level of impact strength after the traditional modes of heat treatment is at a sufficiently low level. The paper is devoted to the investigation the possibility of metastable structural states formation during intercerical quenching of steel 10H3G3MFS for the purpose of increase the level of impact strength without significant loss of strength characteristics. The subjects of study are the steel structure formation processes when heated in an intercerical temperature range (ICTR) with subsequent quenching. The purpose of this work is to study the possibilities of controlling the structure and properties of steel 10H3G3MFS with the use of isothermal austenitization in ICTR to obtain a dispersed structure. Methods. Dilatometric analysis using the Linseis hardening dilatometer R.I.T.A. L78, metallographic analysis using a light inverted microscope OLYMPUS GX 51 and electron microscopy using a transmission electron microscope FEI Tecnai 20 G2 TWIN are being in use. Uniaxial tensile tests are carried out using the universal hydraulic system for static tests INSTRON-SATEC 300 LX and the toughness is determined by pendulum coprometer KM-30, followed by fractographic analysis on a light microscope Olympus SZX-16 and a scanning electron microscope Hitachi S-3400N. Results and Discussion. Based on the results of the study of the process of investigated steel continuous heating, a thermokinetic diagram of the formation of austenite with the designation of the critical points AC1 and AC3 is constructed. It has been established that as the heating rate increases, the critical temperature AC1 decreases and AC3 increases. A study of the isothermal austenitization process showed that 27% of the γ-phase is formed at 710 °C, 59% of the γ-phase is formed at 750 °C, 76% of the γ-phase is formed 800 °C, and during the soaking at 860 °C occurs complete austenitization and 100% of the γ-phase is obtained. It was also found that with an increase in the temperature of isothermal soaking, the proportion of athermic austenite increases, and the isothermal content decreases. An isothermal diagram of austenite formation the initially hardened steel 10H3G3MFS is constructed. The study of steel 10H3G3MFS structure formation process has revealed that during the austenitization process at 715 °С the first stage of austenite formation occurs: austenitic grains form along the boundaries of former austenite grains and martensitic packages. An increase in the austenitization temperature up to 750 °C leads to the development of the second stage of austenitization: austenitic grains form along the martensitic stripe boundary. At a temperature of 800 °C, the second stage is further developed, which, after quenching, leads to the formation of a martensitic framework along the interstitial boundaries of the initial α-phase. These interlayers of the initial α-phase are fragmented by dislocation boundaries and strengthened by a small amount of carbide particles. Thin layers of residual austenite are present in the martensite framework. There are freshly quenched areas of the polyhedral shape that are formed at the grain boundaries of the original austenite or the boundaries of the original packets. The raise of heating temperature to 860 °C causes the end of the α → γ transformation during the soaking process, and after following quenching the structure of packet martensite whith twins is formed. According to the strength and plasticity test, it is established that quenching from 800 °C leads to a slight decrease in the tensile strength brake (by 8%), but the yield strength does not practically decrease. The percent elongation remains at the level of the initially hardened steel, and the percent reduction significantly increases (from 54 to 60%). The KCT toughness level of the steel under study significantly increases up to 0.76 MJ/m2 (by more than 70%). According to the data of fractographic analysis, samples after dynamic tests have viscous fracture mode. The received mode of heat treatment allows to increase the level of toughness of the steel under study without loss in strength of products of any overall dimensions for oil-producing machine building.

About the authors

D. O Panov

Perm National Research Polytechnic University

Email: panovdmitriy85@gmail.com
29, Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation

T. Y Barsukova

Perm National Research Polytechnic University

Email: tanok4444@yandex.ru
29, Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation

A. I Smirnov

Novosibirsk State Technical University

Email: micros20t@mail.ru
20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

E. N Orlova

Perm National Research Polytechnic University

Email: 77zhenya77@mail.ru
29, Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation

Y. N Simonov

Perm National Research Polytechnic University

Email: simonov@pstu.ru
29, Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation

References

  1. Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. - М.: Металлургия, 1973. - 205 с.
  2. Липчин Н.Н., Коковякина С.А. Структурный механизм превращений при нагреве стали // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1970. - № 9. - С. 2-7.
  3. Счастливцев В.М., Копцева Н.В. Электронно-микроскопические исследования аустенита при нагреве конструкционной стали // Физика металлов и металловедение. - 1976. - Т. 42, № 4. - С. 837-847.
  4. Zel'dovich V.I. Three mechanisms of formation of austenite and inheritance of structure in iron alloys // Metal Science and Heat Treatment. - 2008. - Vol. 50, вып. 9-10. - P. 442-448. - doi: 10.1007/s11041-009-9082-3.
  5. Лазерный нагрев и структура стали: атлас микроструктур / В.Д. Садовский, В.М. Счастливцев, Т.И. Табатчикова, И.Л. Яковлева. - Свердловск: Уральский рабочий, 1989. - 102 с.
  6. Бернштейн Л.М., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д. Отпуск стали. - М.: МИСИС, 1997. - 336 с.
  7. Голованенко С.А., Фонштейн Н.М. Двухфазные низколегированные стали. - М.: Металлургия, 1986. - 207 с.
  8. Физические основы электротермического упрочнения стали / В.Н. Гриднев, Ю.Я. Мешков, С.П. Ошкарев, В.И. Труфилов. - Киев: Наукова думка, 1973. - 335 с.
  9. Критические точки при быстром нагреве деформированной стали / В.Н. Гриднев, О.М. Ивасишин, Ю.Я. Мешков, С.П. Ошкадеров // Металлофизика. - 1975. - Вып. 61. - С. 98-100.
  10. Дьяченко С.С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. - М.: Металлургия, 1982. - 128 с.
  11. Горностырев Ю.Н. Микроскопические механизмы гетерогенного зарождения новой фазы при полиморфном ГЦК-ОЦК-превращении // Фазовые и структурные превращения в сталях: сборник научных трудов. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. дома печати, 2008. - С. 31-57.
  12. Structure formation in low-alloy pipe steel during heating in the intercritical temperature range / A.N. Makovetskii, T.I. Tabatchikova, I.L. Yakovleva, N.A. Tereshchenko, D.A. Mirzaev // The Physics of Metals and Metallography. - 2012. - Vol. 113, iss. 7. - P. 704-715. - doi: 10.1134/S0031918X12070083.
  13. Formation of the structure and properties of a low-carbon martensitic steel 12KH2G2NMFT upon quenching / S.S. Yugai, L.M. Kleiner, A.A. Shatsov, N.N. Mitrokhovich // The Physics of Metals and Metallography. - 2004. - Vol. 97, N 1. - P. 98-103.
  14. Huang J., Poole W.J., Militzer M. Austenite formation during intercritical annealing / // Мetallurgical and Materials Transactions A. - 2004. - Vol. 35, iss. 11. - Р. 3363-3375. - doi: 10.1007/s11661-004-0173-x.
  15. In-situ determination of austenite and martensite formation in 13Cr6Ni2Mo supermartensitic stainless steel / A. Bojack, L. Zhao, P.F. Morris, J. Sietsma // Materials Characterization. - 2012. - Vol. 71. - P. 77-86. - doi: 10.1016/j.matchar.2012.06.004.
  16. Chang M., Yu H. Kinetics of bainite-to-austenite transformation during continuous reheating in low carbon microalloyed steel // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. - 2013. - Vol. 20, iss. 5. - P. - 427-432. - doi: 10.1007/s12613-013-0746-z.
  17. Growth of austenite from as-quenched martensite during intercritical annealing in an Fe-0.1C-3Mn-1.5Si alloy / R. Wei, M. Enomoto, R. Hadian, H.S. Zurob, G.R. Purdy // Acta Materialia. - 2013. - Vol. 61, iss. 2. - Р. 697-707. - doi: 10.1016/j.actamat.2012.10.019.
  18. Effect of heating rate on ferrite recrystallization and austenite formation of cold-roll dual phase steel / P. Li, J. Li, Q. Meng, W. Hu, D. Xu // Journal of Alloys and Compounds. - 2013. - Vol. 578. - P. 320-327. - doi: 10.1016/j.jallcom.2013.05.226.
  19. Effect of initial microstructure on austenite formation kinetics in high-strength experimental microalloyed steels / E. López-Martínez, O. Vázquez-Gómez, H.J. Vergara-Hernández, B. Campillo // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. - 2015. - Vol. 22, iss. 12. - P. 1304-1311. - doi: 10.1007/s12613-015-1198-4.
  20. Патент 2532628 Российская Федерация, МПК C 22 C 38/38. Сталь для изготовления изделий с повышенной прокаливаемостью / Ю.Н. Симонов, М.Ю. Симонов, Г.С. Шайманов, Д.П. Подузов. - № 2013113589/02; заявл. 26.03.2013; опубл. 10.11.2014, Бюл. № 31.
  21. Recrystallization and formation of austenite in deformed lath martensitic structure of low carbon steels / M. Tokizane, N. Matsumura, K. Tsuzaki, T. Maki, I. Tamura // Metallurgical Transactions A. - 1982. - Vol. 13, iss. 8. - Р. 1379-1388. - doi: 10.1007/BF02642875.
  22. Stages of austenitization of cold-worked low-carbon steel in intercritical temperature range / D.O. Panov, Y.N. Simonov, L.V. Spivak, A.I. Smirnov // The Physics of Metals and Metallography. - 2015. - Vol. 116, N 8. - P. 802-809. - doi: 10.1134/S0031918X15080128.
  23. Патент 2561315 Российская Федерация, МПК G 01 N 25/02. Способ определения температур фазовых превращений в металлических материалах / Ю.Н. Симонов, Д.О. Панов. - № 2014120830/28; заявл. 22.05.2014; опубл. 27.08.2015, Бюл. № 24.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».