книги / Специальные стали. Теория легирования

Мн, °С

Мн, Со, Al

Мн, угл.ст

Мн, ост. л.эл %С

Рис. 23. Влияние содержания углерода и легирующих элементов на положение линии начала мартенситного превращения

Примем концентрацию углерода в стали Х1 (см. рис. 23), тогда температура начала превращения соответствует точке пересечения с осью «температур». Для того чтобы превращение при этой температуре началось, в обычной углеродистой стали требуется перераспределение по углероду до концентрации Х2, а в легированной стали необходимо большее перераспределение (концентрация Х3). То есть в стали, легированной большинством из элементов, понижающих температуру начала мартенситного превращения (Мн), для развития бейнитного превращения потребуется перераспределение по углероду до Х3, что реализовать гораздо сложнее, и поэтому бейнитное превращение будет затруднено.

В случае когда сталь легирована элементами, повышающими Мн (Co, Al) (см. рис. 23 – тонкая верхняя кривая), для развития бейнитного превращения не требуется большего перераспределения по углероду, что приводит к ускорению протекания превращения в области Аr''.

Обобщим. Легирующие элементы влияют на температурный интервал превращения в области Аr'', те элементы, которые понижают Т0, смещают область Аr'' в интервал более низких температур,

61

что ведет к снижению диффузии, которая необходима для протекания бейнитного превращения. В связи с этим понижается температура бейнитного превращения, а чем ниже температура, тем сложнее диффузионные процессы, и область Аr'' смещается вправо.

Особенности бейнитного превращения в легированных сталях

1.Легирующие элементы влияют на ∆F и ДС.

2.Специальные карбиды и легированный цементит не обра-

зуются.

3.Большинство легирующих элементов смещают область Аr''

винтервал более низких температур, именно по этой причине она (бейнитная область) может отсутствовать, так как температура ее

начала опустится ниже Мн. Легирующие элементы замещения влияют на область Аr'' меньше, чем на Аr', поэтому смещение области Аr' вправо происходит сильнее, чем области Аr'' (рис. 24).

Рис. 24. Диаграммы устойчивости переохлажденного аустенита легированных сталей, влияние легирующих элементов

на положение областей Аr' и Аr''

Практическое значение влияния легирующих элементов на устойчивость переохлажденного аустенита

1. Так как все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают устойчивость аустенита, то легирование ведет к повышению

62

прокаливаемости стали. Особенно заметен вклад легирующих элементов на низколегированных сталях. При комплексном легировании стали несколькими элементами их вклад не аддитивен (они усиливают друг друга, но не всегда во столько же раз, как поодиночке).

2.Повышение устойчивости аустенита ухудшает отжигаемость стали (в углеродистых сталях превращение в области Аr' происходит уже при малых степенях переохлаждения, тогда как во многих легированных сталях даже при скорости охлаждения от 30 до 0,3 °/с получаются более дисперсные продукты распада, чем для углеродистой. В настоящее время существует ряд сталей, которые

ипри охлаждении с печью (при отжиге) не разупрочняются, а сохраняют мартенситную структуру.

3.В сталях, легированных карбидообразующими элементами в количестве, достаточном для образования специальных карбидов, при превращении Аr' необходима диффузия легирующих элементов,

Рис. 25. Диаграммы устойчивости переохлажденного аустенита для сталей с различной степенью легированности

Алег.→ Ф + Спец карбид (для такого превращения требуется активная диффузия атомов легирующих элементов), а если учесть, что Аr'-превращение протекает в районе температур 700 °С и до 500 °С, то атомы легирующих элементов диффундируют слабо,

63

в некоторых случаях она замедлена совсем, и поэтому Аr'- превращение может отсутствовать. Если эти легирующие элементы еще и понижают Т0, область бейнитного превращения понижается, что приводит к полному разъединению областей, и между ними образуется область очень устойчивого аустенита (рис. 25). В этой области в течение длительного времени не происходит распада ни по одному из механизмов (Аr', Аr'’).

Аr'-превращение уже не может проходить из-за затрудненной диффузии легирующих элементов, а Аr'' уже не идет, так как для нее температура недостаточна (температура должна быть ниже).

Мартенситное превращение

В углеродистых сталях мартенситное превращение развивается при непрерывном охлаждении стали с аустенитной структурой со скоростью больше критической в мартенситном интервале Мн/Мк. Этот интервал лежит ниже температуры метастабильного равновесия Т0. По механизму мартенситное превращение является упорядоченным, бездиффузионным, сдвиговым.

Поясним вышеприведенные термины. Упорядоченным данное превращение является, поскольку перестройка решетки из Fe γ в Fe α происходит путем упорядоченного смещения или кооперативного сдвига группы атомов железа на расстояние меньше межатомного. В результате сдвига сохраняется когерентность между старой и новой фазой.

Мартенситное превращение является бездиффузионным, так как во время перестройки решетки железа из Fe γ в Fe α путем сдвига атомы внедрения не успевают изменить свое положение, диффузии атомов углерода не происходит. После данного сдвига атомы углерода закономерно расположены в решетке новой α-фазы вдоль одного пространственного направления, что ведет к тетрагональному искажению решетки.

Следует помнить, что содержание углерода такое же, как было в аустените: чем больше содержание углерода в аустените, тем выше степень тетрагональности решетки мартенсита, т.е. искажения кристаллической решетки с/а, по отношению к кубической решетке

64

α-фазы. Таким образом, мартенситное превращение развивается в таких условиях, когда затруднена или невозможна диффузия атомов металлов.

Мартенситное превращение в легированных сталях

Легирующие элементы, растворенные в аустените, замещают часть атомов железа и поэтому участвуют в мартенситном превращении так же, как и атомы железа. Легирующие элементы внедрения (N, B) ведут себя аналогично атомам углерода, дают искажение решетки ОЦК. Таким образом, легирующие элементы не влияют на механизм мартенситного превращения.

В результате мартенситного превращения в легированных сталях образуется пересыщенная не только по углероду, но и по большинству легирующих элементов α-фаза (мартенсит).

Влияние легирующих элементов сводится к влиянию на температурный интервал мартенситного превращения. Мартенситный интервал Мн–Мк напрямую зависит от Т0. Большинство легирующих элементов понижают интервал Мн–Мк, Al, Co повышают, кремний не влияет.

При комплексном легировании влияние легирующих элементов не аддитивно, зависеть будет от системы легирования и от содержания углерода. Существует несколько эмпирических формул, применяемых для большинства конструкционных сталей с содержанием углерода от 0,2 до 0,8 %.

Наиболее распространенной является формула А.А. Попова, пример которой дан для расчета в методических указаниях1.

Положение мартенситного интервала определяет структуру стали после закалки. Возможны четыре варианта положения данного интервала (рис. 26): а – этот случай часто встречается в малолегированных сталях, весь интервал мартенситного превращения лежит выше комнатной температуры; случай б и в отличаются лишь количеством аустенита остаточного (в третьем его до 80 %); г – это диаграмма характерна для аустенитного класса сталей.

1 Материаловедение: метод. указания к лаб. работам / сост. М.Г. Закирова. Пермь: Изд-во Пермь. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019. 26 с.

65

Положение мартенситного интервала влияет не только на количество остаточного аустенита, но и на строение мартенсита.

В зависимости от температуры образования различают два вида мартенсита – пакетный или реечный (высокотемпературный и низкоуглеродистый) и пластинчатый или двойникованный (низкотемпературный и высокоуглеродистый).

Мн

Рис. 26. Положение мартенситного интервала в легированных сталях

Виды мартенсита

Пакетный мартенсит представляет собой структурное образование, состоящее из практически параллельных друг другу кристаллов вытянутой формы, организованных в пакет. Пакетный мар-

66

тенсит образуется в сталях с низким содержанием углерода при температурах γ→α-превращения около 350–320 °С.

Детальные исследования структуры пакетного мартенсита с помощью электронного микроскопа показали, что рейки (наименьшая составляющая в иерархии пакетного мартенсита) представляют собой трехосные эллипсоиды с соотношением полуосей a: b: c близко 1: 7: 30 или 1: 9: 33. Ширина реек может меняться от 0,1 мкм до нескольких мкм.

Размер реек и пакетов напрямую зависит от размера исходного зерна: чем больше зерно, тем выше разброс по ширине кристаллов (реек) в пакете.

Пластинчатый низкотемпературный мартенсит представляет собой отдельные, достаточно крупные кристаллы мартенсита (пластины) с дислокационной структурой. Кристаллы пластинчатого мартенсита чаще имеют форму линз. Пространственная форма может быть описана трехосным эллипсоидом (a>b>c) при этом а: с как 7: 1. В некоторых случаях внутри мартенситных пластин присутствуют двойники превращения. Температурный интервал образо-

вания 380–350 °С.

Следует отметить, что выделяют еще несколько разновидностей мартенсита, каждая из которых имеет свою морфологию, свой температурный интервал образования и явную зависимость от химического состава. В низкоуглеродистых сталях чаще всего встречается пакетный мартенсит, однако при содержании углерода в стали до 0,2 % такого вида мартенсита будет 100 %, а с увеличением содержания углерода до 0,6 % к пакетному постепенно добавится и пластинчатый высокотемпературный мартенсит. В сталях с содержанием углерода более 0,6 % встречается только пластинчатый низкотемпературный мартенсит.

В связи с этим необходимо помнить, что при содержании углерода в стали до 0,6 % находится область существования кубического мартенсита, а свыше 0,6 % углерода – уже тетрагонального. Это напрямую связано с изменением степени тетрагональности решетки ОЦК, т.е. до 0,55 % углерода решетка еще ОЦК, а при большем содержании уже ОЦТ.

67

Все названные факторы отражаются на свойствах мартенситной структуры.

Свойства мартенсита

К свойствам мартенситной структуры относят высокие характеристики прочности и твердости. Основные принципы получения связаны с механизмами упрочнения, которые реализуются в данной структуре, приводя к упрочнению.

Механизмы упрочнения мартенситной структуры:

1.Дислокационное упрочнение за счет увеличения плотности дислокаций (плотность дислокаций в мартенсите 10–10–10–12).

2.Твердорастворное упрочнение за счет растворения атомов других элементов (искажение кристаллической решетки, которое происходит из-за внедрения атомов углерода и сохранения всего находящегося в аустените углерода в ОЦК-решетке мартенсита).

3.Наличие атмосфер Котрелла, которые представляют собой скопление атомов углерода на дислокациях. Оседание атомов углерода на атмосферах Котрелла возможно при его концентрации от 0,2 %. Данная концентрация приводит к полному закреплению дислокаций, что затрудняет их движение и ведет к упрочнению стали. При более низком содержании углерода (менее 0,2 %) оседание углерода на дислокациях и их закрепление слабое. В сталях с высоким содержанием углерода получить мартенсит без атмосфер Котрелла нельзя, они образуются во время закалочного охлаждения. Суть упрочнения атмосферами заключается в том, что для начала скольжения дислокации требуется сначала оторваться от них.

4.Дисперсионный механизм упрочнения за счет образования частиц второй фазы. В некоторых случаях при высоких значениях

Мн и при сравнительно медленном охлаждении внутри мартенситного интервала ʋ ˂ ʋкр при длительном вылеживании при закалке

вместах скопления углерода могут образоваться карбиды когерентные с матрицей, что приводит к затруднению движения дислокаций и увеличению прочности.

5.Зернограничный и субструктурный. Механизм упрочнения за счет иерархии мартенситной структуры. Мартенситная структура

68

имеет сложную закономерность формирования структуры (рейки – пакеты – зерна). Структура обладает большим количеством границ, как малоугловых, так и большеугловых. Малоугловые границы не вносят серьезного вклада в упрочнение, так как не приводят к торможению движения дислокаций, они являются проницаемыми для дислокаций и могут только затруднить незначительно переход дислокации в соседнюю рейку. Пакет мартенсита внутри имеет большую численность малоугловых границ (это границы между рейками), а следовательно, высокую площадь границ, что является причиной упрочнения. В иерархии пакетного мартенсита важную роль играет размер пакета (он является той структурной составляющей, размер которой подставляют в зависимость Холла-Петча и которая вносит вклад в прочность).

Все механизмы, перечисленные выше, встречаются, как в углеродистых сталях, так и в легированных. Если сталь с низким содержанием углерода, то действовать будут 1) и 5) (дислокационный и зернограничный), причем их вклад будет не такой сильный и твердость и прочность низкоуглеродистого мартенсита ниже, чем высокоуглеродистого, в котором активно действуют еще 2), 3), 4) механизмы. Если обобщить, то все упрочнение сводится к четырем основным механизмам:

1)деформационное упрочнение (дислокационный механизм);

2)твердорастворное упрочнение (искажение кристаллической решетки атомами внедрения и атмосферы Котрелла);

3)дисперсионное упрочнение;

4)зернограничное и субструктурное (Зг и СУ) упрочнение. Все эти четыре механизма упрочнения действуют в мартенси-

те легированных сталей. Легирующие элементы в этом случае ниче-

го не меняют, следовательно, легирующие элементы замещения практически не влияют на прочность и твердость мартенсита.

Влияние оказывают только элементы внедрения (С, N, B), они вносят вклад в дисперсионное упрочнение и в значительной мере в твердорастворное.

69

Кинетика мартенситного превращения

В углеродистых сталях наблюдается только один вид кинетики – атермическая (неизотермическая). Любая остановка внутри мартенситного интервала приводит к стабилизации аустенита

(рис. 27).

% М

100 %

1

2

Рис. 27. Атермическая кинетика мартенситного превращения

Как видно на рис. 27, любая остановка превращения внутри интервала (линия 2) приводит к стабилизации аустенита, и превращение начинается не сразу, завершение превращения не дает возможность получить 100% мартенсита.

В легированных сталях возможны и другие виды кинетики:

•изотермическая;

•взрывная.

Изотермическое превращение мартенсита. Данный вид ки-

нетики характерен только для легированных сталей, при этом сохраняется мартенситный механизм, но по кинетике оно схоже с нормальным или неупорядоченным превращением. Температурная зависимость имеет инкубационный период и может быть описана С- образной кривой. Изотермическое превращение мартенсита можно описать, используя принципы бейнитного механизма. При выдержке

70