книги / Новые конструкционные материалы низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали

Рис. 2.1. Диаграмма изотермического превращения аустенита сталей 15ХНМРА (а) и 08Г4Б (б): /ауст= 900 °С (о - превращение не достигло ука­ занного на соответствующей кривой процента)

В связи со сравнительно высокой устойчивостью аустенита в тем­ пературной области аустенитно-ферритного (перлитного) превращения при охлаждении стали на воздухе после аустенизации (или после сварки) образуется структура бейнита. Поэтому первоначально предполагалось,

что эти стали не нуждаются в специальной термической обработке и по­ зволяют достичь значений предела текучести 1000 МПа и выше при срав­ нительно высоком сопротивлении хрупкому разрушению, а также при хо­ рошей свариваемости.

Однако бейнитное превращение связано с перераспределением угле­ рода в аустените в процессе превращения (отвод углерода от фронта рас­ тущего кристалла of-фазы), в результате чего образуются участки остаточ­ ного аустенита, в большей степени обогащенные углеродом. Так, в стали 15ХНМРА период решетки остаточного аустенита (закалка с замедленным охлаждением ниже Мн для увеличения доли остаточного аустенита) со­ ставляет 3,542 А, а после выдержки при температуре 500 °С в течение 5 мин (50 % промежуточного превращения) он равен 3,572 А. Это соответ­ ствует обогащению остаточного аустенита, т.е. повышению в нем содер­ жания углерода, в среднем приблизительно до 0,6 %.

В стали 08Г4Б период решетки остаточного аустенита после закалки равен 3,547 А, а после частичного превращения в промежуточной области при 400 °С в течение 1 мин (50-60 % превращения) составляет 3,567 А. Это соответствует обогащению остаточного аустенита 0,4-0,5 % углерода. Концентрация углерода в остаточном аустените весьма неоднородна, и при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры часть остаточного ау­ стенита с более низкой концентрацией углерода превращается в мартенсит [1, 11]. Поэтому после бейнитного превращения и охлаждения до комнат­ ной температуры в структуре стали наблюдаются «островки», состоящие из остаточного аустенита и мартенсита с повышенным по сравнению со

средним содержанием углерода [1, 11-15]. Наличие «островков» вы­ зывает повышение предела теку­ чести и резкое усиление склонно­ сти к хрупкому разрушению.

Удовлетворить сформулиро­ ванным выше требованиям могут стали со структурой низкоуглеро­ дистого мартенсита, получаемой при минимальной скорости охла­ ждения. В практике термической обработки наиболее надежной яв­

Рис.2.2. Принципиальная зависимость ха­ ляется скорость охлаждения, соот­ рактеристик прочности, пластичности и вяз­ ветствующая скорости охлажде­

кости от температуры отпуска для ста­

лей с содержанием углерода < 0,1 %

ния на воздухе.

Существенное отличие низ­ коуглеродистого мартенсита (содержание углерода менее 0,11 %) заключа­ ется в том, что в закаленном (неотпущенном) состоянии (рис. 2.2) его ха­

рактеристики пластичности и вязкости соответствуют характеристикам легированной среднеуглеродистой стали (содержание углерода до 0,40 %), отпущенной при температуре 300-500 °С, в которой остается в твердом растворе около 0,10 % углерода [6], остальной углерод переходит в карби­ ды. В низкоуглеродистом мартенсите весь углерод сохраняется в твердом растворе, карбидная фаза практически отсутствует. В результате в зака­ ленном состоянии обеспечиваются высокие значения пластичности, вязко­ сти и прочности. Технологическая особенность такого мартенсита состоит в том, что он не склонен к образованию холодных трещин, способен к ре­

ти бейнитного превращения, а ус­ коренное охлаждение при закалке

вызывает значительные внутренние напряжения в стали, коробление и по­ водку. Поэтому применение этих сталей не решает основной задачи техно­ логичности: бездеформационности при закалке и ликвидации подогрева под сварку.

Задача создания сталей с пределом текучести 650-1000 МПа и устра­ нения указанных ранее принципиальных и технологических недостатков решена с учетом особенностей кинетики и механизма полиморфного пре­ вращения железа у-* а [17-19]. В зависимости от условий (легирование, температура превращения или скорость охлаждения) это превращение мо­ жет проходить по двум различным механизмам: «нормального» (неупоря­ доченного, самодиффузионного) превращения с образованием полиэдри­ ческого феррита с малой плотностью дислокации или мартенситного с плотностью дислокаций более Ю10 см 2. Продолжительность инкубацион­ ного периода нормального превращения может возрасти при легировании хромом, никелем, марганцем, молибденом. Ниже определенной темпера­

туры Мн мартенситное (у-+ ^-превращение развивается без инкубацион­ ного периода с большой скоростью и сопровождается возникновением ха­ рактерного микрорельефа.

О влиянии легирования на устойчивость аустенита судят по характе­ ристикам самодиффузии. Параметры самодиффузии определяют адсорбционным методом [20] с использованием радиоактивного изотопа Fe

Продолжительность инкубационного периода и времени полупревра­ щения аустенита при температурах «нормального» перехода находится в качественном соответствии с характеристиками граничной самодиффузии железа. Энергия активации граничной самодиффузии железа, содержащего 0,04 % углерода, составляет 26 ккал/г-атом, а при легировании 7 % Сг и 2 % Ni - 40 ккал/г-атом, соответственно время 5 % превращения гаммафазы составляет менее 1 и 720 с.

С другой стороны, при неизменном легировании (7 % Сг и 2 % Ni ) энергия активации граничной самодиффузии железа составляет при 0,003 % С 33 ккал/г-атом, а при 0,04 % С - 40 ккал/г-атом [21, 22]. Эти за­ кономерности и необходимость устранения бейнитного превращения оп­ ределяют допустимый диапазон концентрации углерода в низкоуглероди­ стых мартенситных сталях, в большинстве случаев от 0,04 до 0,10—0,12 %.

Сочетание легирующих элементов выбрано так, чтобы была обеспе­ чена необходимая устойчивость аустенита в области «нормального» пре­ вращения и отсутствовало бейнитное превращение.

Низкое содержание углерода (0,04-0,10 %) обусловливает сохранение подвижности дислокаций (углерода недостаточно для их закрепления, блокировки); облегчается релаксация напряжений, чему способствует так­ же и сравнительно высокая температура начала мартенситного превраще­ ния Мн. В работе [7] показано, что полное закрепление дислокаций в мар­ тенсите достигается при содержании углерода не менее 0,20 %. При соот­ ветствующем выборе состава стали достигаются высокая устойчивость ау­ стенита в температурной области «нормального» аустенито-ферритного превращения и устранение бейнитного превращения.

На рис. 2.4 приведены диаграммы превращения аустенита сталей с 5 % Сг, 2 % Ni и с содержанием углерода 0,006; 0,01 и 0,04 %. Очевидно, устойчивость переохлажденного аустенита в температурной области «нормального» превращения повышается с ростом содержания углерода в указанных пределах. При содержании углерода 0,006 и 0,01 % ниже тем­ пературы Мн (650 и 615 °С соответственно) вслед за мартенситным разви­ вается «нормальное» (у-+ а)-превращение. Исследованием в высокотемпе­ ратурном микроскопе установлено, что при изотермической выдержке ни­ же Мн после образования рельефа, свидетельствующего о мартенситном

На рис. 2.7 показаны диаграммы превращений аустенита сталей с 2 % Сг и 3 % Мп и содержанием углерода 0,04; 0,09 и 0,13 %. В сталях с 0,09 и 0,13 % С четко выявляется температурная область бейнитного превраще­ ния. Например, в стали 13Х2ГЗ после протекания частичного бейнитного превращения при температурах 400 (превращение на 14 %) и 375 °С (на 36 %) период решетки остаточного аустенита возрастает на 0,02 А, что со­ ответствует увеличению концентрации углерода в среднем на 0,4 %.

В табл. 2.2 указано содержание углерода в ряде низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС), выше которого четко проявляется темпера­ турная область бейнитного превращения. Очевидно, что это содержание является верхним пределом для получения в сталях при умеренной скоро­ сти охлаждения мартенситной структуры (без бейнита и «островков», обо­ гащенных углеродом остаточного аустенита и мартенсита).

Интересно заметить, что в промышленных сталях 12Н9, 12ХН2, 12Х2Н4, 18ХН4В в диаграммах превращений аустенита также четко выяв­ ляется область бейнитного превращения со сравнительно небольшой про­ должительностью инкубационного периода [24].

Таблица 2.2 Влияние концентраций легирующих элементов и углерода

на температуру бейнитного превращения в НМС

Повышение устойчивости аустенита в области нормального аустени­ то-ферритного превращения при увеличении концентрации углерода от 0,006 до 0,04 %, возможно, связано с уменьшением подвижности металли­ ческих атомов при самодиффузии из-за их взаимодействия с вакансиями.

Анализ диаграмм изотермического превращения аустенита исследо­ ванных сталей позволяет сделать вывод о влиянии отношения хрома к уг­ лероду на возникновение области бейнитного превращения.

При соотношении элементов Сг/С £ 35 вес. % или Сг/С £ 8 ат. % бейнитное превращение не наблюдается.

Устранение температурной области бейнитного превращения при оп­ ределенном легировании связано, очевидно, с торможением процессов диффузионного перераспределения углерода, являющихся неотъемлемой

Время, с Рис. 2.7. Диаграмма изотермического превращения аустенита сталей,

содержащих 2 % Сг, 3 % Мп и добавки 0,04 % С (а), 0,09 % С (б), 0,13% С (в) (/вусг=900 °С)