книги из ГПНТБ / Богачев И.Н. Структура и свойства железомарганцевых сплавов
.pdfИ.Н. БОГАЧЕВ, В.Ф. ЕГОЛАЕВ
СТРУКТУРА И СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ
СПЛАВОВ
И. Н. Б о г а ч е в , |
В. Ф. Е г о л а е в |
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОМАРГА Н ЦЕВЫХ
СПЛАВОВ
М о с к в а |
« М е т а л л у р г и я » |
1 9 7 3 |
Контрольный ш з ін п л я р
!Гос. гг и -ччная
УДК 669.15-194 .55 I |
иаѵ |
= |
' а я |
|
библ.,о .\ >•. |
||
ІЯ0 |
ЧИ ТА Л Ь Н 0~0 САЛА |
||
К З - |
|
||
УДК 669.15—194.55 |
|
|
|
Структура и свойства |
железомарганцевых сплавов. Б о- |
||
г а ч е в И. Н., |
Е г о л а е в |
В. Ф. М., «Металлургия», |
|
1973, 295 с. |
особенности |
структурных превращений, |
|
Рассмотрены |
свойства и практическое применение аустенитных спла вов Fe—Mn.
Значительное внимание уделено влиянию легирующих элементов, фазовым превращениям, пластической дефор мации и их взаимодействию. Рассмотрены особенности мартенситного превращения. На основе анализа поведе
ния сплавов |
этого типа |
указаны области применения |
в СССР и |
за рубежом |
аустенитных сталей системы |
Fe—Mn. Обсуждены особенности нержавеющих, кавитациопностойкнх и износостойких сталей. Книга предназна чена для научных и инженерно-технических работников, может быть полезна студентам вузов. Ил. 128. Табл. 26. Список лит.: 154 назв.
(g) Издательство «Металлургия», 1973.
0311-140
91-73
040(01)—73
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
Предисловие................. |
|
........................................................................ |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
В веден ие................................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
Г л а в а |
I |
|
|
|
|
||
|
Диаграмма состояния и фазовый состав |
|
|
|||||||
1. Система Fe—M n ............................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
9 |
||
2. Система Mn—С ................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
23 |
||
3. Система Fe—Mn—С ....................................................................... |
|
|
|
|
|
|
26 |
|||
4. |
Система Fe—Mn—C r .................................................................... |
|
|
|
|
|
|
27 |
||
|
|
|
Г л а в а |
II |
|
|
|
|
||
|
Структура |
железомарганцевых сплавов |
|
|
||||||
1. Металлография ............................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
28 |
||
2. |
Электронная |
м икроскопия.......................................................... |
|
|
|
|
31 |
|||
3. |
Рентгенограф ия.............................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
51 |
|
|
|
|
Г л а в а |
III |
|
|
|
|
||
|
|
Влияние различных факторов |
|
|
|
|||||
|
на кинетику мартенситного превращения |
|
|
|||||||
1. |
Влияние легирующих элем ен тов ................................................ |
е -ф азы |
|
54 |
||||||
2. |
Влияние деформации на образование |
|
59 |
|||||||
3. |
Влияние фазового наклепа |
на |
образование |
е-мартенсита . |
68 |
|||||
4. |
Стабилизация аустен ита............................................................... |
образованияе-мартенсита . |
. |
76 |
||||||
5. |
Кинетика изотермического |
83 |
||||||||
|
|
|
Г л а в а |
IV |
|
|
|
|
||
|
Физические свойства |
железомарганцевых |
сплавов |
|
|
|||||
1. |
Магнитные |
свойства . ............................................................... |
|
93 |
||||||
2. |
Антиферромагнитное превращение в аустените и его влия |
96 |
||||||||
3. |
ние на физические |
свойства с п л а в о в ....................................... |
|
|
||||||
Внутреннее |
трение |
Fe—Mn |
с п л а в о в ....................................... |
|
|
НО |
||||
4. Электрические свойства |
Fe—Mn с п л а в о в ............................. |
|
|
116 |
||||||
5. |
Экзоэлектронная эмиссия |
в |
Fe—Mn |
с п л а в а х ........................ |
|
119 |
||||
|
|
|
Г л а в а |
V |
|
|
|
|
||
|
Тонкая структура железомарганцевых сплавов |
|
|
|||||||
1. |
Качественное описание |
структурных |
изменений................. |
|
121 |
1* |
3 |
2. Влияние |
|
Yiîe -превращений на фазовый состав и тонкую |
131 |
||
структуру |
Fe—Mn сп л аво в .......................................................... |
|
|
||
3. Изучение тонкой структуры Fe—Mn сплавов методом рент |
137 |
||||
геновской |
микродифракции.......................................................... |
|
|
||
4. Влияние холодной пластической деформации на структурные |
146 |
||||
превращения в Fe—Mn с п л ав ах ................................................ |
|
||||
5. Влияние фазового и механического наклепов на структурные |
155 |
||||
изменения |
в Fe—А4п с п л а в а х ..................................................... |
|
|||
6. Влияние легирующих элементов на концентрацию дефектов |
|
||||
упаковки |
|
сплава железа с 19—20% М п ........................... |
158 |
159 |
|
7. Температурная устойчивость |
структурныхнесовершенств . |
||||
8. Влияние антиферромагнитного упорядочения на тонкую |
|
||||
структуру |
Fe—Mn сп л аво в .................................................... |
|
161 |
|
|
|
|
Г л а в а |
VI |
|
|
|
|
Механические свойства |
|
|
|
и упрочнение железомарганцевых сплавов |
|
|
|||
1. Влияние |
у г л е р о д а ................................................................... |
|
168 |
|
|
2. Фазовые |
переходы .................................................................. |
|
173 |
|
|
3. Пластическая деф о р м ац и я ................................................... |
|
176 |
185 |
||
4. Комбинирование фазового и механическогонаклепов |
. . . |
||||
5. Температурная зависимость механических свойств. . |
. . |
188 |
|||
6. Х ладноломкость....................................................................... |
|
192 |
|
||
7. Влияние |
легирования............................................................. |
|
197 |
|
|
|
|
Г л а в а |
VII |
|
|
|
|
Области применения аустенитных |
|
|
|
марганцевых и хромомарганцевых сталей |
|
|
|||
1. Сталь Гадфильда Г 1 3 Л ......................................................... |
|
205 |
|
||
2. Кавитационностойкие с т а л и ................................................... |
|
231 |
|
||
3. Нержавеющие с т а л и ........................................ |
|
256 |
|
||
4. Жаростойкие и жаропрочные с т а л и .......................... |
277 |
291 |
|||
Список литературы ....................................................................... |
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Разработка и изучение сплавов железа с марганцем началось очень давно (почти 100 лет тому назад). В ре зультате исследования ряда сталей, легированных мар ганцем, в 1882 г. была разработана высокоуглеродистая сталь с 13—14% Мп — сталь ЛГ13 (сталь Гадфильда). Эта сталь до настоящего времени применяется в услови ях ударного износа, главным образом для железнодо рожных крестовин и шаровых мельниц.
Изучение фазовых превращений и их особенностей в сталях, легированных марганцем, значительно отстало от практики применения сталей, и только в конце первой четверти нашего столетия при исследовании превращений в высокомарганцевых сталях было обнаружено, помимо обычного мартенситного превращения, превращение 7—8-мартенсит. Однако фундаментальное изучение этого превращения, так же как и практическое использование превращений аустенита с целью разработки новых спла вов, началось только в последние годы. Причина этого, по-видимому, заключалась в том, что недостаточно учи тывалось влияние легирования аустенита на особенности его превращения в мартенсит. Большее распространение получил, например, никелевый аустенитМежду тем, как показали исследования, марганцевый аустенит имеет ряд особенностей как в отношении фазовых превращений, так и при деформации и упрочнении. Кроме того, для этого аустенита характерно наличие антиферромагнитного со стояния.
Легирование марганцем аустенитных сталей находит все большее применение, в том числе и для сталей ответ ственного назначения — нержавеющих и жаропрочных. Однако наибольший интерес марганец как легирующий элемент представляет в нестабильных аустенитных ста лях, способных упрочняться под воздействием деформа ции. Нестабильные аустенитные стали на основе марган ца или Сг—Мп вследствие благоприятного сочетания прочности и пластичности являются весьма перспектив ными материалами для современной техники.
Нашей задачей являлось систематическое изучение сплавов Fe—Мп с целью использования особенностей этих сталей в практике при особых видах нагружения.
При создании этой книги использованы главным обра зом результаты исследований, проведенных в Проблем ной лаборатории металловедения Уральского политехни ческого института им. С. М. Кирова, а также литератур ные данные.
Железомарганцевые стали являлись и являются од ним из главных объектов исследований, проводимых в Проблемной лаборатории металловедения. На основе этих исследований разработан ряд новых марок сталей.
Многие работы, помимо основных работников лабо ратории, проводили аспиранты и студенты-дипломники.
Значительный вклад в изучение фазовых превраще ний и свойств сплавов Fe—Мп внесен аспирантами
Л.С. Ершовой, А. Ф. Сачавским, Л. С. Малиновым,
В.Ф. Еголаевым, Л. Д. Чумаковой и др. Большой вклад
всоздание этой книги был сделан В. Ф. Еголаевым, вне запная смерть которого прервала эту работу; данная книга посвящается его светлой памяти.
Отдельные разделы дорабатывались или были напи саны Л. П. Житовой, Т. Л- Фроловой, М. А. Филипповым, Т. Д. Эйсмондт.
* Марганец как легирующий элемент представляет зна чительный интерес для Fe — С сплавов. Особенно ценна его способность к аустенитообразовапию при слабом карбидообразующем действии.
Однако до настоящего времени применение марганца ограничено. В лучшем случае его рассматривают только как заменитель никеля, между тем марганец сам по себе может обеспечить такие свойства, которых нельзя до стигнуть при легировании другими элементами. Такими свойствами являются упрочнение при пластической де формации и фазовых переходах, которые для марганце вых сплавов обладают рядом специфических особенно стей. Это относится главным образом к высоколегиро ванным сталям. Классическая сталь Гадфильда (Г13Л), содержащая 13% Мп при 1% С, по отношению к удар ному износу является уникальной; ее используют в те
чение десятилетий и пока не нашли равноценных заме нителей.
Нестабильные аустенитные стали, содержащие до 10% Мп, представляют значительный интерес при сопро тивлении микроударному нагружению (кавитационное воздействие и многократный удар).
Нестабильные стали этого типа способны изменять свои свойства при нагружении, в том числе и пластич ность, вследствие протекающих превращений. Такое по ведение характерно для нестабильных сталей, которые в последние годы получили за рубежом название трипсталей (сталей, пластичность которых вызвана превра щениями). Легирование марганцем сталей этого типа, по нашему мнению, более перспективно, чем легирование никелем. В ряде случаев при особых видах нагружения эти стали по своим свойствам могут конкурировать с мар- тенситно-стареющими сталями.
Все приведенные соображения относятся к высоколе гированным сталям.
Некоторые недостатки, свойственные марганцевым сталям, служили причиной задержки в их разработке и применении. Однако такие недостатки, как слабое соп ротивление окислению при повышенных температурах и воздействии агрессивных сред, могут быть преодолены за счет рационального легирования марганцевых сталей другими элементами. Данное обстоятельство указывает
на необходимость пересмотра отношения к марганцу как к легирующему элементу, на базе глубокого изучения сплавов Fe — Mn, особенностей их фазовых превраще ний и образующихся в них структур, тем более что уже показано, что марганец может придавать сталям особые свойства, которые либо не могут быть вызваны другими элементами, либо могут быть вызваны в меньшей степе ни. Подобный подход не только позволяет рассматривать марганец как заменитель никеля, но и дает возможность найти рациональную область применения марганцевых сталей и расширить их ассортимент для различных от раслей техники.
В настоящей книге рассмотрены результаты изучения фазовых превращений, особенностей упрочнения и физи ко-механических свойств Fe — Mn аустенитных сталей и сплавов-в широком диапазоне концентраций марганца (до 40%).
Содержание углерода, если оно не оговорено, нахо дится в пределах 0,05—0,07%; содержание остальных примесей также мало. В тексте принята обобщенная маркировка по содержанию главных элементов.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ И ФАЗОВЫЙ с о с т а в
1. Система Fe— Mn
Диаграмму состояния системы Fe — Mn изучали не однократно. Результаты большинства работ обобщены в обзорах А. Е. Вола, А. Г. Григорьева, Хансена и др. [1—3]. Однако до сих пор не удалось построить полную диаграмму равновесия этой системы. Если верхняя ее часть (высокотемпературная область) в какой-то степе ни достоверна, то достоверность в нижней части (область превращений в твердом состоянии) равновесной диаг раммы невелика. Причина заключается в том, что даже при, длительном протекании фазовых превращений рав новесие системы не достигается вследствие замедленной диффузии марганца в а- и у-твердых растворах.
Диаграмма состояния (рис. 1) представлена в наибо лее распространенном варианте; она как бы делится на две части. Со стороны железа диаграмма очень проста. При 1473° С наблюдается перитектическое равновесие: б-раствор (9,5% Мп), жидкость (13% Мп) и у-раствор; ниже лежит широкая область у-раствора (рис. 1 , а).
Марганец принадлежит к немногим легирующим эле ментам, расширяющим область существования у-раство ра в сплавах железа. При повышении содержания мар ганца резко понижается температура превращения у->а, которая при 30% Мп равна примерно 400°С. При этих температуре и концентрации в равновесии находится у-раствор (30% Мп) и а-раствор (3,3% Мп). Как было указано выше, нижняя часть диаграммы недостоверна, так как равновесия практически не удалось достигнуть. Кроме того, результаты различных исследований этой об ласти диаграммы противоречивы вследствие использова ния материалов неодинаковой чистоты и различных ме тодик исследования.
Вобласти концентраций от 30 до 55% Мп у-твердый раствор после затвердевания сохраняется вплоть до ком натной температуры.
Вправой части диаграммы со стороны марганца так же имеется перитектическое равновесие при 1232° С: