Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситног

тур, определяющих уровень характеристик механических свойств. Для низкоуглеродистых мартенситных сталей основным видом упрочняющей термической обработки является закалочное охлаждение на спокойном воздухе. В центральных частях изделий большого сечения ско­ рость охлаждения мала и условия охлаждения прибли­ жаются к изотермическим.

В НМС, содержащих углерод на верхнем пределе («0,13 %), относительно ранее применяемых НМС с со­ держанием углерода до 0,10 %, можно полагать, что воз­ никнет опасность образования некоторого количества верхнего бейнита, приводящего к повышению критиче­ ской температуры хрупкого разрушения. Комплексные исследования в изотермических условиях позволяют оп­ ределить температурно-временные параметры областей реализации у—кх-превращений и их механизмы, сопоста­ вить с ними получаемую структуру и характеристики механических свойств, что позволит более полно объяс­ нить результаты, полученные после непрерывного охла­ ждения.

Кинетику процесса превращения переохлажденного аустенита низкоуглеродистых мартенситных сталей 07ХЗГНМ, 08Х2Г2ФБ, 12Х2Г2НМФТ и для сравнения стали бейнитного класса 15Х2ГМФ исследовали с по­ мощью модернизированного анизометра системы Акуло­ ва, позволяющего выявлять 0,5-1,0% количества а-фазы. Исходно закаленные образцы аустенитизировали при температуре 930 °С в течение 8 мин и быстро охлаждали до температур изотермических выдержек в интервале 710-270 °С, длительность изотермических выдержек со­ ставляла 3 ч. По окончании выдержки образцы охлажда­ ли в воде.

При магнитометрических исследованиях превраще­ ния переохлажденного аустенита установлено, что кине­ тика процесса превращения существенно зависит от хи­ мического состава стали (рис. 2.1, а-г). На кинетических кривых можно выявить три стадии: медленное начало

а

б

Рис. 2.1. Кинетические кривые превращения переохлажденно­ го аустенита, аустенитизация 930 °С, 8 мин: а - 07ХЗГНМ; б - 08Х2Г2ФБ; в - 12Х2Г2НМФТ; г - 15Х2ГМФ

процесса, ускорение в средней части и медленное завер­ шение. Время и скорость развития процесса в пределах каждого участка зависят от температуры изотермической выдержки, а характер их изменения определяет химиче­ ский состав сталей.

В низкоуглеродистых мартенситных сталях 07X3ГНМ, 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ мартенситное у—>а-превращение развивается уже при температурах ниже 510 °С, 470 °С и 415 °С соответственно. С пониже­ нием температуры изотермической выдержки уменьша­ ется длительность первой стадии (медленного начала), плавно нарастает общая скорость процесса, а также уве­ личивается количество a -фазы. Так, для стали 07ХЗГНМ первая стадия «исчезает», то есть интенсивное образова­ ние низкоуглеродистого мартенсита происходит сразу после помещения образца в изотермическую ванну при температурах ниже 380 °С, максимальное количество (~ 95 %) изотермической a -фазы образуется при темпе­ ратурах ниже 380 °С за 30 с; для стали 08Х2Г2ФБ первая стадия «исчезает» при температурах 2 360 °С, при этом максимальное количество изотермической a -фазы об­ разуется при температуре 380 °С за 60 с; для стали 12Х2Г2НМФТ, соответственно, мгновенное образование a -фазы начинается при температурах ниже 290 °С, мак­ симальное количество изотермической а-фазы - при температурах < 380 °С менее чем за 200 с.

Для сталей 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ при темпе­ ратурах выше 470 °С и 415 °С соответственно переохла­ жденный аустенит обладает высокой устойчивостью и у—нх превращение не наблюдается в течение 3 ч. В ста­ ли 07ХЗГНМ «нормальное» у—>а превращение реали­ зуется при температурах 610-700 °С после выдержки бо­ лее 15 мин.

В стали бейнитного класса 15Х2ГМФ у—мх превра­ щение развивается при температурах 700-650 °С и ниже 515 °С, при которых изменение кинетики имеет более

сложный характер. В интервале температур 515-400 °С на кинетических кривых выявляются три стадии процес­ са превращения: медленное начало, ускорение в средней части, медленное завершение процесса. С понижением температуры изотермической выдержки в интервале 400-330 °С кинетика превращения переохлажденного аустенита претерпевает резкие изменения: первая стадия (медленное начало) «исчезает» - за первые секунды об­ разуется более 10 % изотермической a -фазы; скачком возрастает скорость на второй стадии (на кинетических кривых увеличивается угол наклона линейного участка); замедляется скорость на третьем участке. С понижением температуры изотермической выдержки ниже 330 °С (в интервале 330-270 °С) скорость на всех этапах кине­ тических кривых возрастает.

По результатам исследования кинетики построены диаграммы изотермического превращения переохлаж­ денного аустенита (рис. 2.2, а-г). Анализ изотермиче­ ских диаграмм показывает, что в стали 12Х2Г2НМФТ так же, как и для других низкоуглеродистых мартенсит­ ных сталей (за исключением стали 07ХЗГНМ), выявляет­ ся только одна температурная область превращения пе­ реохлажденного аустенита. Ниже определенной для каж­ дой стали температуры превращение развивается при постоянной температуре во времени, то есть имеет изо­ термический характер. Выше этой температуры в сталях 12Х2Г2НМФТ и 08Х2Г2ФБ переохлажденный аустенит имеет значительную устойчивость и превращение не на­ блюдается по истечении трех часов.

В стали 07ХЗГНМ, кроме мартенситного превраще­ ния при температурах 700-650 °С, наблюдается область «нормального» превращения. Минимальная устойчи­ вость переохлажденного аустенита в этой области со­ ставляет ~ 240 с.

Диаграмма изотермического превращения стали бейнитного класса 15Х2ГМФ имеет более сложное строение (см. рис. 2.2, г). Кроме области «нормального»

т,°с

650

550

450

350

250

а

б

Рис. 2.2. Диаграммы изотермического превращения переохла­ жденного аустенита сталей. Аустенитизация 930 °С, 8 мин: а - 07X3ГНМ; б - 08Х2Г2ФБ; в - 12Х2Г2НМФТ; г-15Х2ГМФ

(700-650 °С) и мартенситного (ниже 400 °С) превраще­ ний в интервале температур 520-400 °С выявляется об­ ласть промежуточного превращения, с инкубационным периодом в области минимальной устойчивости переох­ лажденного аустенита ~ 5 с. При этом область «проме­ жуточного» (бейнитного) превращения частично пере­ крывается мартенситной. Из диаграммы изотермическо­ го превращения аустенита стали 15Х2ГМФ видно что, в интервале 430-330 °С при образовании более 80 % a -фазы с понижением температуры изотермической вы­ держки происходит торможение у—их превращения. Из­ вестно [15], что торможение превращения с понижением температуры характерно для термически активируемых процессов, в данном случае для бейнитного превраще­ ния. Следовательно, в стали 15Х2ГМФ бейнитное пре­ вращение также развивается ниже температуры М„, то есть в интервале температур М„ - 330 °С в изотермиче­ ских условиях у—их превращение начинается по мартен­ ситному механизму (~ 80 % изотермического превраще­ ния), а заканчивается бейнитной реакцией.

Для низкоуглеродистых мартенситных сталей (см. рис. 2.2) температурную область реализации мартен­ ситного превращения условно можно разбить на два ин­ тервала, разделенных температурой, при которой линия начала сдвигового у—их превращения пересекает темпе­ ратурную ось (на всех изотермических диаграммах ука­ зано условное начало, равное времени 3 % у— х превра­ щения). Ниже данной температуры превращение начина­ ется сразу, без инкубационного периода, с большой скоростью, то есть имеет атермическую кинетику, харак­ терную для превращения аустенита при непрерывном охлаждении с большими скоростями [16].

В связи с этим температуру, при которой пропадает инкубационный период и мгновенно образуется более 50 % мартенсита, классифицируют как температуру на­ чала атермического мартенситного превращения и обо­

значают- М™рм [16].

Выше этой температуры превращение начинает развиваться после так называемого инкубационного пе­ риода, с относительно небольшой скоростью, при этом кинетика процесса растянута во времени и имеет трех­ стадийный характер (медленное начало, ускорение в средней части и медленное завершение). При этом у—►а превращение в данной области имеет все черты мар­

тенситного превращения, наблюдаемого ниже М“терм.

В изотермических условиях превращение развивается не до конца, его начальная скорость и полнота процесса увеличиваются с понижением температуры изотермиче­ ской выдержки. Эти кинетические признаки удовлетво­ ряют превращению, классифицированному как «мартен­ ситное превращение с быстрой изотермической кинети­ кой», а температуру начала превращения обозначают как

М “зот [16].

Необходимо отметить, что видимое на изотермиче­ ских диаграммах в мартенситной (для низкоуглероди­ стых мартенситных сталей 07ХЗГНМ, 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ) области, отсутствие у—>а превращение в начальный момент времени не связано с истинным ин­ кубационным периодом, во время которого происходит формирование и образование зародыша новой фазы [17]. Детальное исследование кинетики изотермического пре­ вращения переохлажденного аустенита показало, что в этих температурных интервалах во время «инкубаци­ онного периода» также развивается у—»а превращение с малой скоростью. На основании этих исследований бы­ ли построены уточненные изотермические диаграммы превращения переохлажденного аустенита (рис. 2.3, а-г).

Развитие изотермического мартенситного превраще­ ния выше температуры М*терм не является какой-либо аномалией. Показано [18-20], что развитие изотермиче­ ского мартенситного превращения выше MjJrepM в той или иной степени характерно для большинства конст­ рукционных легированных сталей. Для объяснения