2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

ГЛАВА 4 ПРОЧНОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ

МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ (НМС)

4.1. Формирование структуры пакетного мартенсита при медленном охлаждении НМС

Сравнительный анализ механических и технологических свойств низкоуглеродистых сталей показывает, что при прочности 1100– 1400 МПа они не в состоянии обеспечить высокое сопротивление хрупкому разрушению и, что очень важно, хорошую технологичность, особенно это касается их прокаливаемости. Разработка сталей с таким комплексом свойств возможно было бы реализовать с помощью НМС, если повысить их прочность. В этом отношении наиболее легким решением было бы повысить содержание углерода до уровня 0,10–0,15 %. Этот подход, однако, имеет две опасности: повышение хрупкости в результате упрочнения твердого раствора и уменьшение устойчивости переохлажденного аустенита, что ведет к ухудшению прокаливаемости.

В работах Р.И. Энтина и Л.М. Клейнера [32–36] определены основные принципы, которые обеспечивают высокую устойчивость охлажденного низкоуглеродистого аустенита и на основании которых были разработаны традиционные НМС 07Х3ГНМ и 06Х3Н2М. Эти принципы сформулированы следующим образом:

1.Содержание углерода в низкоуглеродистых мартенситных сталях не должно превышать 0,08–0,10 %, но одновременно не должно быть меньше 0,04 %, чтобы избежать самостоятельного выделения в структуре феррита.

2.Содержание легирующих элементов порядка 3–5 % должно обеспечить высокую устойчивость аустенита в области диффузионного (нормального) превращения.

3.Отношение содержания хрома к углероду должно быть CrC > 35–

40.Такая пропорция необходима для того, чтобы препятствовать развитию бейнитного превращения.

301

4. Температура начала мартенситного превращения Мн не должна быть очень низкой, чтобы предотвратить появление в структуре пластинчатого мартенсита.

При разработке НМС с более высокой прочностью, как например, стали 12Х2Г2НМФТ и 12Х2Г2НМФБ, в которых содержание углерода увеличивается до 0,12–0,15 %, необходимо скорректировать принципы разработки химического состава, с помощью которого можно обеспечить высокую устойчивость переохлажденного аустенита в НМС. Так, например, в традиционных НМС, таких как 07Х3ГНМ, температура начала мартенситного превращения Мн ≈ 500 оС. В этом случае бейнитное превращение оказывается как бы «утопленным» в мартенситном превращении, что дает возможность, даже при непрерывном охлаждении с малыми скоростями протекания, осуществить прежде всего мартенситное превращение, в то время как бейнитное в этих условиях не успевает реализоваться. При повышении содержания углерода от 0,07– 0,08 % до 0,12–0,15 % сопротивление сдвигу в кристаллической решетке аустенита повышается, что является причиной снижения мартенситной точки Мн примерно на 100 °С. При этом бейнитное превращение «всплывает» над интервалом мартенситного превращения и появляется возможностьобразованиябейнита винтервале400–500 °С.

В [37, 195] показано, что добавки марганца, хрома, ванадия и титана уменьшают термодинамическую активность углерода в аустените. В этом случае энергия связей атомов углерода, растворенных в аустените, с атомами растворенных в аустените карбидообразующих элементов существенно увеличивается и атомы углерода задерживаются, «закрепляются», около атомов карбидообразующих элементов, однако, без образования карбидов. Именно в этом «блокировании» атомов углерода вблизи атомов карбидообразующих элементов и уменьшении таким образом возможности для их передвижения и выражается снижение термодинамической активности углерода. В этом отношении наиболее сильное влияние оказывает легирование титаном, а наиболее слабое – марганцем.

Из литературы также известно [196], что все легирующие элементы, имеющие более высокую температуру плавления, чем железо, а такими являются карбидообразующие элементы, снижают подвижность

302

атомов железа из-за увеличения межатомных сил притяжения. Это наводит на мысль, что с помощью легирования карбидообразующими элементами достаточно легко решить проблему устойчивости переохлажденного низкоуглеродистого аустенита. К сожалению, опыт со сталями типа 12Х1МФ, 15Х2ГМФ и 08Г4Б показывает, что они имеют достаточно низкую устойчивость аустенита и при охлаждении в них образуется феррито-перлитная или бейнитная структура При выборе химического состава этих сталей необходимо иметь в виду следующее обстоятельство: легирование аустенита карбидообразующими элементами может вызвать образование карбидов непосредственно в аустените. Это приводит к уменьшению содержания углерода в самом аустените, что, со своей стороны, активирует нормальный – перлитный – распад аустенита, а при более низких температурах вызывает и бейнитное превращение [5, 196]. Следовательно, легирование сильными карбидообразующими элементами полезно только тогда, когда можно избежать образования карбидов в аустените. Это мешает его распаду в перлитной области, и, таким образом, гомогенный по составу аустенит может быть охлажден до необходимых, более низких, температур. Те карбидообразующие элементы, которые в большей степени уменьшают термодинамическую активность углерода, могут быть использованы как легирующие элементы и в меньших концентрациях.

Из вышеизложенного следует: чтобы получить у НМС при медленном охлаждении низкоуглеродистого аустенита высокие прочностные свойства (увеличивая содержание углерода) и подходящую трещиностойкость (благодаря пакетному мартенситу), необходимо легировать сталь карбидообразующими элементами, но при этом с увеличением их склонности к образованию карбидов их концентрацию необходимо уменьшать. Для анализа этих утверждений проведен цикл исследований, включающий изучение кинетики γ − α превращения в изотерми-

ческих условиях и при непрерывном охлаждении, изучение полученной структуры иоценку механических свойств.

В качестве материала для исследования были взяты три состава НМС и один сталь бейнитного класса:

1. Сталь 12Х2Г2НМФТ, перспективная с точки зрения высоких прочностных свойств и с химическим составом, отвечающим в наибольшей степени изложенным выше принципам.

303

2.Сталь 08Х2Г2ФБ, представляющая группу экономно легированных НМС, в составе которых отсутствует молибден.

3.Сталь 07Х3ГМ, НМС, широко используемая в промышленности, для которой характерна высокая температура Мн.

4.Сталь 15Х2ГМФ, которая считается одной из самых лучших бейнитных сталей, используемых в данном случае для сравнения.

Химический состав исследованных сталей приведен в табл. 4.1.

Таблица 4 . 1 Химический состав исследованных сталей

Марка			Содержание элементов, %
стали	C	Cr	Mn	Ni	Mo	V	Nb(Ti)
12Х2Г2НМФТ	0,12	2,38	2,23	1,38	0,43	0,09	(0,03)
08Х2Г2ФБ	0,085	2,2	2,25	–	–	0,08	0,03
07Х3ГНМ	0,07	3,15	0,92	1,02	0,22	–	–
15Х2ГМФ	0,165	1,95	1,0	–	0,20	0,13	–

Примечание: во всех сталях содержание кремния 0,26–0,30 %, содержание фосфора и серы – не более 0,02 %.

Особый интерес для исследования представляет сталь 12Х2Г2НМФТ, которая из всех трех марок НМС имеет наибольшее содержание углерода (0,12 %). В ней соотношение Cr/C = 20 (табл. 4.2), что намного меньше рекомендованного для подавления бейнитного превращения значения Cr/C>35. Исследование кинетики γ − α превращения в изотермических условиях не показывает проте-

кания нормального	и бейнитного превращений (рис.	4.1, в),
а микроструктурные	исследования подтверждают только	наличие

пакетно-реечной α-фазы как в результате изотермической обработки при различных температурах, так и при непрерывном охлаждении в широком диапазоне скоростей (рис. 4.2, а–г; рис. 4.3, а–г).

Электронно-микроскопические исследования, проведенные на достаточно большом количестве фольг (не менее 10 фольг на каждый режим и не менее 10 полей на каждую фольгу), не выявили наличия характерных для бейнитной структуры карбидных образований и остаточного аустенита.

304

Рис. 4.1. Диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенитасталей: 07Х3ГНМ(а), 08Х2Г2ФБ(б), 12Х2Г2НМФТ(в) и15Х2ГМФ(г)

305

Таблица 4.2

Сравнительный анализ соотношения концентраций элементов в исследованных сталях

Марка			Соотношение элементов				Mн,
стали	Cr/C	Mn/Cr	Ni/Cr	Mo/Cr	V/Cr	Nb/Cr (Ti/Cr)	°C
12Х2Г2НМФТ	20	0,94	0,58	0,18	0,04	(0,013)	410
08Х2Г2ФБ	25	1,02	–	–	0,04	0,014	475
07Х3ГНМ	43	0,30	0,30	0,07	–	–	500
15Х2ГМФ	12	0,51	–	0,10	0,07	–	400

Рис. 4.2. Микроструктурастали12Х2Г2НМФТ, полученная врезультатеизотермическойобработки(а, б) инепрерывногоохлаждения

(в, г): а– tизотерм= 270 °С; б– tизотерм = 400 °С; в– vохл = 3,5 град/с; г– vохл = 0,0044 град/с, х1600

Рис. 4.3. Тонкаяструктурастали12Х2Г2НМФТ, полученная врезультатеизотермическойобработки(а, б) инепрерывногоохлаждения

(в, г): а– tизотерм= 270 °С; б– tизотерм = 400 °С; в– vохл = 3,5 град/с; г– vохл = 0,0044 град/с

306

Твердость и прочностные характеристики стали 12Х2Г2НМФТ не меняются как при увеличении продолжительности изотермической выдержки (рис. 4.4, в), так и при уменьшении скорости охлаждения от 150 до 0,004 °C /с (рис. 4.5, в). На этом рисунке цифрами в скобках (5; 50; 338 и 1412) показано эквивалентное сечение образца при его охлаждении на спокойном воздухе.

Снижение ударной вязкости, которое наблюдается при скорости охлаждения 0,0044 °C/с связано с процессами автоотпуска свежеобразовавшегося мартенсита [193, 194]. Если примем сталь 12Х2Г2НМФТ в качестве эталона для устойчивости аустенита, то для содержания углерода 0,10–0,12 % и соотношения Cr/C ≈ 20 можно записать примерно следующие соотношения:

	Cr : Mn : Мо : V : Ti(Nb) = 1 : 1 :	1	:	1	:	1	.	(4.1)
		5		25		75

Очевидно, подходящий подбор легирующих карбидообразующих элементов в этой стали и их количество (4.1) таковы, что, с одной стороны, в достаточной степени уменьшают термодинамическую активность углерода, препятствуя таким образом его диффузии и реализации нормального перлитного превращения. С другой стороны, эти легирующие элементы взаимно конкурируют и ни один из них не успевает образовать карбиды, что изменило бы количество растворенного углерода в аустените и повысило бы температуру бейнитного распада выше температуры превращения пакетного мартенсита.

Высказанные соображения находят подтверждение в проведенных исследованиях. Так, например, в сталях 10Х2Г2НМФ0,5Т и 10Х2Г2НМФ0,9Т, в которых содержание ванадия было завышено по сравнению с рекомендациями в (4.1) до 0,46 и 0,91 % соответственно, после закалки на воздухе образцов диаметром Ø 14 мм в структуре появляется бейнит с характерными цепочками цементитных карбидов на границах между реечными и пакетными мартенситными кристаллами.

307

Рис. 4.4. Влияниетемпературыизотермическойвыдержки натвердость иударнуювязкостьсталей07Х3ГНМ(а), 08Х2Г2ФБ(б), 12Х2Г2НМФТ(в) и15Х2ГМФ(г)

308

Рис. 4.5. Влияние скорости охлаждения на механические свойства сталей

07Х3ГНМ (а), 08Х2Г2ФБ (б), 12Х2Г2НМФТ (в) и 15Х2ГМФ (г)

309

Результаты исследования стали 08Х2Г2ФБ иллюстрируют важную роль, которую играет подбор карбидообразующих элементов, включенных в химический состав стали. Отсутствие в составе этой стали такого сильного карбидообразующего элемента, как молибден, является причиной повышения термодинамической активности ванадия, в результате чего в структуре образуется карбид ванадия, который фиксируется по повышению мартенситной точки Мн на 25–30 оС (рис. 4.6) при скорости охлаждения, меньшей 1 °C/с. Выделение специальных карбидов, как было указано, является причиной дестабилизации аустенита, в результате чего после охлаждения со скоростью 0,15 °C/с в структуре стали 08Х2Г2ФБ наблюдается нижний бейнит, а еще при более низких скоростях (0,0044 °C/с) – верхний бейнит (рис. 4.7).

Рис. 4.6. Влияние условий охлаждения на температуру начала сдвигового γ−α-превращения стали 08Х2Г2ФБ

Механической характеристикой, наиболее чувствительной к появлению немартенситных продуктов при распаде аустенита, является динамическая трещиностойкость KСТ (см. рис. 4.5, б), которая резко снижается приохлаждении со скоростью 3,5 °C/с (спокойный воздух).

Сталь 07Х3ГНМ является типичным примером традиционных НМС, в которой отношение Cr/C = 43, т.е. отвечает условиям, при которых подавляется бейнитное превращение, благодаря чему при охлаждении на спокойном воздухе заготовок сечением до 50 мм получается структура пакетного мартенсита. Высокое положение тем-

310