Введение

Эксплуатационная надежность ответственных изделий – это удовлетворение требований, предъявляемых к качеству материала и конструктивно-технологическим решениям при проектировании и изготовлении металлических конструкций [1, 2]. Обеспечение этих требований зависит от уровня оснащенности современным технологическим оборудованием металлургического комплекса. Постоянно растущие требования к качеству металла являются стимулом для совершенствования существующих и развития новых металлургических процессов на всех переделах – начиная от выплавки стали с низким содержанием вредных примесей и заканчивая особо тщательным контролем полуфабрикатов и готовых изделий современными методами [3, 4].

Уменьшение содержания неметаллических включений с применением новых методов обработки позволяет повысить ранее взаимоисключающие свойства сталей, такие как вязкость, пластичность и прочность [5–7]. Однако стали повышенной чистоты из-за высокой подвижности границ зерен склонны к проявлению признаков остаточного перегрева [8, 9].

Исследованию поковок ответственного назначения из стали 38ХН3МФА на различных стадиях производства посвящены работы многих авторов [10–12]. Изучалось и замедленное разрушение изделий из данной стали [13]. В данной статье приведено комплексное исследование причин появления участков с различной морфологией разрушения в изломах стали 38ХН3МФА на основе фрактографического анализа [14, 15].

Сталь 38ХН3МФА с пониженным содержанием серы и фосфора была выплавлена в электропечи с последующей продувкой аргоном и вакуумированием. Предварительно обработанные заготовки подвергали ковке на парогидравлических прессах в два приема, при этом температура в печи перед началом ковки находилась на уровне  1180⁺²⁰/_-40 °С, температура начала ковки составляла 1160⁺²⁰/_-60 °С, окончания ковки – 900÷800°С. После ковки был проведен обезводороживающий отжиг. Затем заготовки были подвергнуты термической обработке (закалке с последующим высоким отпуском). В результате проведенных обработок при удовлетворительных показателях механических свойств в изломах контрольных образцов выявлены светлые участки (показаны стрелками на рис. 1).

Рисунок 1. Макростроение излома образца, вырезанного из заготовки стали 38ХН3МФА (стрелками показаны светлые участки)

Методы исследований и оборудование

Исследование качества материала и установление причин разрушения заготовки из стали 38ХН3МФА выполнили в соответствии с областью аккредитации Испытательного центра ВИАМ [16–19].

Химический состав материала заготовок определяли оптико-эмиссионным и рентгено-флуоресцентным методом на спектрометре с искровым возбуждением ARL-4460 и волнодисперсионном рентгено-флуоресцентном спектрометре S4 Explorer, а также на анализаторе содержания углерода и серы Leco CS-600.

Для оценки уровня механических свойств проводили испытания на маятниковом копре РН 300-СHV фирмы Walter+bai ag на ударный изгиб образцов, вырезанных из центральной части поковки с надрезами в различных направлениях.

Изучение изломов заготовок из стали 38ХН3МФА проводили методом электронной фрактографии и металлографии высокого разрешения на растровом микроскопе JSM-6490LV фирмы Jeol.

качественный и количественный анализ микроструктуры проводили с использованием оптического комплекса фирмы Leica в соответствии с ГОСТ 5639–82 и ГОСТ 1778–70. Подготовку металлографических образцов осуществляли на оборудовании фирмы Struers.

Результаты

Результаты исследований химического состава материала заготовки представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав материала заготовки из стали 38ХН3МФА

По результатам проведенного анализа установлено, что материал исследуемой заготовки соответствует заявленной марке стали 38ХН3МФА по ГОСТ 4543–71 и имеет пониженное содержание серы и фосфора.

Из заготовки изготовлены образцы, испытанные на ударную вязкость (табл. 2). По результатам проведенных испытаний значения ударной вязкости удовлетворяют требованиям ГОСТ 8479–70 (KСU≥490 кДж/м²), при этом минимальное значение ударной вязкости (779 кДж/м²) наблюдается в образце 3, где большая часть излома занята светлой составляющей (рис. 2). В образцах 1, 2, 4 ударная вязкость выше, а в изломе наблюдаются лишь небольшие участки со светлой составляющей. Анализ нетравленых шлифов из стали 38ХН3МФА показал, что загрязненность неметаллическими включениями повсем видам включений не превышает 0,5–1 балла по ГОСТ Р ИСО 4967–2009.

Таблица 2

Результаты испытаний на ударную вязкость образцов из стали 38ХН3МФА

Рисунок 2. Вид изломов образцов (1–4), испытанных на ударную вязкость

Исследование структуры при помощи растрового электронного микроскопа показало, что наблюдается ориентированное расположение структурных составляющих, размер зерна в стали после окончательной термообработки находится в пределах 25–35 мкм, что соответствует баллу 7 по ГОСТ 5639–82 (рис. 3).

Рисунок 3. Микроструктура (а – ×1000; б – ×1500) образца из стали 38ХН3МФА (электролитическое травление)

Результаты фрактографических исследований заготовки и вырезанных из нее образцов после испытаний на ударную вязкость представлены на рис. 4–6. особенностью разрушения является наличие светлой составляющей.

Рисунок 4. Характерное строение излома (а – ×100; б – ×500; в – ×1000; г – ×2000) заготовки из стали 38ХН3МФА

Изломы всех изученных образцов внутризеренные. Наблюдаются отдельные малопластичные, визуально плоские участки. Характерный рельеф разрушения показан на рис. 4. Установлено, что «светлые» площадки в изломе представляют собой участки с мелкоямочным малопластичным разрушением (см. рис. 5). На дне каждой ямки находятся дисперсные частицы размером ~1 мкм (см. рис. 5, г).

Проведенный микрорентгеноспектральный анализ показал, что данные частицы являются сульфидами марганца (см. рис. 6, а–г). Подобные скопления неметаллических включений в материале снижают его способность сопротивляться разрушению.

Рисунок 5. Строение (а – ×10; б – ×200; в – ×1000; г – ×2000) «светлых» участков в изломе заготовки из стали 38ХН3МФА

Рисунок 6. Результаты микрорентгеноспектрального анализа (а, в – ×3000; д – ×1700) участков излома заготовки из стали 38ХН3МФА:

а, в, д – место анализа; б, г, е – соответствующие спектрограммы

Обсуждение и заключения

Сталь 38ХН3МФА с пониженным содержанием примесей, полученная выплавкой в электропечи с продувкой аргоном и последующим вакуумированием, является сталью повышенной чистоты. Резкое снижение содержания вредных примесей (до 0,0041% S и 0,0075% Р) способствует значительному повышению пластичности и ударной вязкости.

В процессе двукратного нагрева под ковку до температуры 1180°С без охлаждения, приводящего к фазовой перекристаллизации, сера из образовавшихся при кристаллизации сульфидов марганца переходит в твердый раствор (аустенит), при дальнейшем замедленном охлаждении на границах зерен выделяется значительное количество сульфидов марганца MnS, которые определяют путь распространения трещины с наименьшей энергоемкостью.

Возможно, степень укова является малой для устранения литейной неоднородности заготовок, так как сульфиды, сформировавшиеся по границам первичных дендритных зерен, не меняют своего расположения при окончательной термической обработке. это вызвано использованием существенно более низкой температуры аустенизации (870±10°С – при нормализации и 860±10°С – при нагреве под закалку), недостаточной для растворения сульфидов марганца.

Одним из методов исправления структуры заготовок с низким уковом является применение дополнительной (повторной) операции осадки заготовки с последующей ковкой на требуемый размер.

установлено, что материал заготовки соответствует заявленной марке стали 38ХН3МФА по ГОСТ 4543–71 и имеет пониженное содержание серы и фосфора; загрязненность повсем видам неметаллических включений не превышает 0,5–1 балла по ГОСТ Р ИСО 4967–2009; величина зерна соответствует баллу 7 по ГОСТ 5639–82; ударная вязкость образцов из исследуемой заготовки соответствует требованиям ГОСТ 8479–70.

фрактографический анализ показал, что образование «светлых» участков в изломе связано с развитием процесса разрушения по скоплениям дисперсных сульфидов марганца, выделившихся по границам первичных аустенитных (дендритных) зерен, что характерно для недостаточной проработки структуры при ковке и является браковочным  признаком согласно ГОСТ 10243–75.