Термоциклирование

Эффективным методом измельчения зерна является термическая обработка и термоциклирование. Термоциклическая обработка (ТЦО) сопровождается многократными фазовыми превращениями при циклических нагревах и охлаждениях с оптимальными скоростями. Нагревы и охлаждения проводят в области неполного α → γ-превращения в межкритическом интервале температур. Кроме измельчения зерна ТЦО обеспечивает термонаклеп и концентрацию вредных примесей в изолированных участках рельефного феррита, что также способствует повышению свойств стали. Исследование влияния режимов термической обработки на механические свойства проводили на сталях 20Л и 20ФЛ. При использовании термоциклирования были получены более высокие характеристики механических свойств, а вязкость разрушения возросла в 1,5 раза.

Это объясняется характером получаемой структуры и измельчением зерна.

Так, при замене нормализации на термоциклическую обработку происходит изменение структуры от феррито-перлитной к мелкодисперсной упорядоченной смеси перлитообразного сорбита и феррита (рис. 13.10). При этом также происходит существенное измельчение действительного аустенитного зерна (с 5–6 до 10–11 балла). В нормализованной структуре достаточно хорошо видны контуры грануляционной сетки, которые почти полностью исчезают после термоциклирования (рис. 13.10, а, б).

Рис 13.10. Микроструктура стали 20Л после
нормализации (а) и термоциклирования (б), а также микрорельеф излома ударных образцов при –60 °С
после нормализации (в) и термоциклирования (г):
а) 750^×; б) 1000^×; в), г) 300^×

Характер поверхности разрушения при этом также изменяется. На рис. 13.10, в, г показан микрорельеф излома образцов, испытанных на ударный изгиб при –60 °С. В первом случае излом образован фасетками скола, а во втором — фасетками квазискола с более активным выявлением трещины, сопровождаемым дополнительным поглощением энергии.

Этот способ может быть также использован в других сплавах, имеющих превращение, близкое по своим характеристикам к преврщению в стали.

После термоциклирования стали по сравнению со сталями, прошедшими обычную термическую обработку, имеют значительно более высокие прочностные свойства при одновременном снижении порога хладноломкости в области более низких температур. Термоциклирование дает такое упрочнение, при котором повышение прочностных свойств достигается без снижения пластичности и ударной вязкости.

Термоциклическая обработка (ТЦО) благодаря получению сверхмелкого зерна способствует повышению штампуемости сталей и даже переводу материала в состояние сверхпластичности.

ТЦО улучшает вязкость зоны термического влияния при электрошлаковой сварке крупногабаритных плит из стали 10ГН2МФА атомных энергетических установок. Практическое совмещение ТЦО с электрошлаковой сваркой достаточно просто. Оно осуществляется синхронно с прохождением водоохлаждаемого формирующего ползуна перемещением индуктора, питаемого от стабилизированного источника питания повышенной частоты. После электрошлаковой сварки ударная вязкость KCU металла зоны термического влияния при 20 °С составила 26 Дж/см², а после 5 циклов ТЦО она возросла до 158 Дж/см².

Трехкратное повторение циклов фазовых превращений α ↔ γ толстолистовой корпусной углеродистой стали 22К (0,19–0,28 % С; 0,75–1,00 % Mn) позволило получить мелкозернистую структуру с глобулярным цементитом, что обеспечило по сравнению с обычной термообработкой снижение на 25 °С критической температуры вязко-хрупкого перехода, повышение вязкости разрушения на 30–40 % при температурах до –100 °С. Для металла, подвергнутого ТЦО, предел выносливости на базе 5000 циклов составил 490 МПа по сравнению с 430 МПа для улучшенного состояния.

Использование ТЦО сплавов алюминия, титана и никеля также позволило повысить характеристики вязкости разрушения, длительной и усталостной прочности. Кроме того, ТЦО сплавов на основе Al—Mg—Si может с успехом заменить длительную операцию искусственного старения, одновременно повысив общую пластичность в 1,5–1,7 раза.