Влияние электронно-пучковой обработки на зеренную структуру поверхностного слоя стали 20х13

Бессонов Д.А., Воробьев С.В., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф.*, Белоусова Я.В., Комиссарова И.А., Целлермаер В.Я., Громов В.Е.

Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Россия, [e-mail]

*Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Россия

[e-mail]

Целью работы являлось изучение зеренной структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой высокоинтенсивной обработке электронным пучком. В каче- стве материала исследования использовали сталь марки 20Х13. Термическая обра- ботка стали состояла в отжиге при температуре 980 0С (3 часа) и последующей за- калке в воде. Электронно-пучковую обработку осуществляли на установке «СО- ЛО» (ИСЭ СО РАН).

В исходном состоянии исследуемая сталь являлась поликристаллическим аг- регатом, в объеме зерен которого, в результате закалки, была сформирована мар- тенситная структура. Зерна имели неравноосную форму, что вызвано предвари- тельной термомеханической обработкой стали. Средний размер зерен: продольный 19,8 мкм (s = ±8,0 мкм); поперечный 12,4 мкм (s = ±5,0 мкм). По границам зерен наблюдаются частицы второй фазы, которые являются, предположительно, карби- дами железа и хрома.

После обработки стали при плотности энергии пучка электронов E S = 10 Дж/см2, соответствующей режиму начального плавления (частично исчезают дефекты (царапины), внесенные при полировке), на поверхности стали формирует- ся слой, характеризующийся ультрамалым размером зерен: средние продольные

размеры 3,6 мкм (s = ±1,4 мкм); поперечные – 2,2 мкм (s = ±0,93 мкм). Особенно- стью формирующейся структуры является присутствие по границам зерен большо- го количества частиц второй фазы.

Электронно-пучковая обработка поверхности стали при плотности энергии пучка электронов E S ≥ 15 Дж/см2 соответствует режиму плавления поверхностного слоя. В результате высокоскоростной кристаллизации и последующего охлаждения в поверхностном слое стали формируется зеренная структура двух масштабных уровней. К первому из них отнесем зерна, размеры которых изменяются в пределах от 15 до 150 мкм; ко второму – зерна, размеры которых изменяются в пределах де- сятых долей – единиц микрометра. Зерна второго масштабного уровня при обра- ботке стали электронным пучком с плотностью энергии 15…25 Дж/см2 располага- ются по границам и в стыках границ крупных зерен.

Таким образом, в сталях ферритного класса рекристаллизация сопровождает- ся полиморфными превращениями. В этом случае процесс разбивается условно на две стадии: 1) зарождение и рост кристаллитов (зерен) новой фазы до их столкно- вения и 2) рост одних зерен (кристаллитов) новой фазы путем поглощения других зерен этой же фазы (так называемая стадия собирательной рекристаллизации). Первая стадия представляет собой фазовую перекристаллизацию, вторая – струк- турную рекристаллизацию.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ (проекты № 12-02-00092-а) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры ин- новационной России на 2009-2013 г.г.» (гос. контракт №02.740.11.0538).

Дата добавления: 2017-01-14