ВИАМ/2006-204703

Фазовый состав и упрочнение сталей системы Fe–Cr–Ni–Co–Mo с мартенситноаустенитной структурой

Л.В. Тарасенко А.Б. Шалькевич

Ноябрь 2006

Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.

В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.

За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.

Возглавляет институт лауреат государственных премий

СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.

Статья	подготовлена	для	опубликования		в
журнале	«Металловедение	и	термическая	обработка
металлов», №4, 2007г.

Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public

Фазовый состав и упрочнение сталей системы Fe–Cr–Ni–Co–Mo с мартенситно-аустенитной структурой

Л.В. Тарасенко1, А.Б. Шалькевич2

1МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва

2ФГУП «ВИАМ», г. Москва

Изучены фазовый состав и механические свойства мартенситностареющих сталей системы Fe–Cr–Ni–Со–Мо в зависимости от легирования, температур закалки и старения. Определены интерметаллические фазы, упрочняющие мартенсит на различных стадиях старения. Проведено сравнение степени упрочнения и изменения ударной вязкости при криогенных температурах сталей с различными структурами

– мартенситной и мартенситно-аустенитной на стадиях максимального упрочнения и перестаривания. Установлено влияние остаточного и ревертированного аустенита на сопротивление распространению трещин при ударном нагружении сталей, мартенсит которых различается по природе и количеству упрочняющих фаз.

Введение

Для криогенной техники перспективным является использование мартенситно-стареющих сталей, дополнительно упрочненных за счет метастабильного аустенита [1]. В коррозионностойких сталях систем Fe–Cr– Ni–Мо и Fe–Cr–Ni–Со–Мо метастабильный остаточный аустенит, устойчивый к мартенситному превращению при криогенных температурах, может быть получен при специальной термической обработке (закалке от пониженных температур, тепловой стабилизации) [2]. Такие двухфазные структуры по сравнению с мартенситной структурой обладают уникальными механическими свойствами: сочетанием высокой прочности с высокими пластичностью и ударной вязкостью [3]. Причина такого сочетания свойств обусловлена специфической морфологией и размерами аустенитной фазы:

она присутствует в сталях в виде дисперсных (менее 1 мкм) разноориентированных прослоек между рейками мартенсита. Прослойки аустенита с одной стороны являются «мягкой» упрочняющей фазой, а с другой стороны способствуют релаксации локальных напряжений, ответственных за образование хрупких трещин, повышая тем самым ударную вязкость сталей. При содержании более 40% аустенита такая структура имеет название «микродуплекс».

В сталях системы Fe–Cr–Ni–Co–Mo после старения возможно проявление нескольких механизмов упрочнения: твердорастворное упрочнение, фазовый наклеп мартенсита и аустенита, упрочнение прослойками метастабильного аустенита и дисперсионное упрочнение мартенсита частицами интерметаллических фаз (ИФ) [3]. В сталях, содержащих 10–13% Cr, 7–9% Ni, 1–3% Мо и 3 –12% Со, при старении в интервале температур 550–650°С в мартенсите образуется R-фаза состава MomCrp(Fe,Со,Ni)n [4, 5].

Возможности получения различного сочетания прочности и ударной вязкости в сталях с мартенситно-аустенитной структурой могут быть расширены за счет изменения при термической обработке фазового состава как по интерметаллическим, так и по матричным фазам1. В первом случае возможно варьирование как количества фаз, так и степени дисперсности частиц в зависимости от стадии старения. Во втором случае возможно варьирование как количества, так и природы аустенита: остаточного, получаемого при закалке от температуры выше Ас1, или ревертированного, получаемого во время старения при температурах обычно выше 500°С.

Мартенситно-стареющие стали с чисто мартенситной структурой практически никогда не применяют после старения на максимум прочности (или на стадии недостаривания) вследствие низкого уровня пластичности и ударной вязкости. В связи с этим для сталей криогенного назначения

1 В настоящей работе изучен фазовый состав сталей по количеству и природе промежуточных фаз, а также по количеству аустенита. В связи с этим авторы считают необходимым разделить терминологически фазы, составляющие матрицу сталей – матричные фазы (мартенсит, аустенит остаточный, аустенит ревертированный) и дисперсные интерметаллические фазы, образующиеся при старении в мартенсите.

представляет интерес определить, в какой степени остаточный или ревертированный аустенит могут обеспечить необходимый уровень сопротивления ударному нагружению при максимальном упрочнении мартенсита интерметаллическими фазами. В то же время возможность упрочнения двухфазных сталей за счет присутствия аустенита позволяет снизить роль дисперсионного твердения мартенсита, а, следовательно, разрабатывать композиции с меньшим содержанием дефицитных легирующих элементов – молибдена и кобальта.

Задачи настоящей работы состояли в следующем:

1)изучение природы старения мартенсита в сталях системы Fe–Cr–Ni– Co–Mo при низком содержании Cr, Ni, Мо, Со;

2)определение роли остаточного аустенита в упрочнении и изменении ударной вязкости как в закаленном состоянии, так и в состоянии после старения на максимум прочности;

3)определение влияния остаточного и ревертированного аустенита на сопротивление сталей распространению трещины при ударном нагружении в условиях испытания при криогенных температурах.

Цель настоящей работы – изучить фазовый состав (количество фаз, образовавшихся при старении мартенсита, и количество аустенита) и механические свойства: предел текучести, временное сопротивление разрыву, твердость, ударную вязкость при -196°С в зависимости от содержания в сталях молибдена и кобальта, а также температур закалки и старения.

Методика проведения исследований

Изучены экспериментальные плавки сталей с 9% Cr и 9% Ni с различным содержанием Со и Мо (табл. 1). Термическая обработка сталей состояла из закалки от 1000 и 750°С с последующим старением при 500, 550, 600°С. При закалке от 1000°С мартенсит (рис. 1) образуется из рекристаллизованного аустенита. После закалки от 750°С в сталях формируются две фазонаклепанные фазы – мартенсит и остаточный аустенит (Мфн и Аост).

После старения при температурах 550 и 600°С в результате обратного α→γ-превращения образуется ревертированный аустенит (Ар).

Таблица 1. Химический и фазовый состав сталей

Плавка		Содержание элементов, % (масс.)				Аост, % (об.)
	Cr		Ni	Со	Мо	% (об.)
1	9,8		9,2	2,00	2,00	24
2	9,8		9,2	5,95	2,00	15
3	9,6		9,0	2,04	2,90	10
4	9,6		9,0	5,90	2,90	25
5	8,9		9,5		2,50	18
				4,90

Рисунок 1. Схема образования матричных фаз в сталях системы Fe–Cr–Ni–Со–Мо при термической обработке по различным режимам

Количество остаточного аустенита (табл. 1) определяли безэталонным методом на компьютеризированном аппарате ДРОН-4 в кобальтовом Kα-излучении. Количество интерметаллических фаз и их химический состав оценивали с помощью фазового физико-химического анализа с применением атомно-абсорбционной спектрометрии [5]. Точность определения количества фаз составляла ±(0,005–0,01)% для концентраций 0,1–0,5% элементов в анодном осадке и ±(0,1–0,2)% для концентраций 1,0–2,5% [6].

Испытания на растяжение при 20°С и ударную вязкость при -196°С проводили по стандартным методикам. Для испытаний на удар использовали образцы с U- и V-образными надрезами (KCU-196 и KCV-196), а также с предварительно нанесенной усталостной трещиной (KСТ-196). Значения характеристики KСТ-196 использовали для оценки сопротивления сталей распространению трещины при ударном нагружении.