Бейнитные стали

Легирующие элементы должны обеспечить такую устойчивость аустенита по перлитной ступени, которая дает возможность получения после нормализации или контролируемой прокатки продуктов промежуточного превращения – игольчатого феррита и карбидов или карбонитридов (бейнита). Для увеличения устойчивости переохлажденного аустенита вводят Mn,Si,Cr,Mo,B. Углерод ухудшает свариваемость и сопротивление хрупкому разрушению, поэтому его содержание должно быть не выше 0,15 %. При снижении содержания углерода возрастает роль комплексного легирования в обеспечении прокаливаемости для исключения образования феррито-перлитных структур, упрочнения и повышения сопротивляемости хрупким разрушениям. Последнее зависит от таких факторов, как химический состав стали, температура бейнитного превращения и величина зерна исходного аустенита, термическая обработка.

Легирование марганцем и хромом широко используется в бейнитных сталях, т.к. позволяет снизить температуру бейнитного превращения при минимальном снижении начала мартенситного превращения. Область выделения феррита сдвигается вправо, значительно уменьшается критическая скорость охлаждения. Кроме хрома и марганца используется молибден (около 0,5 %). Сочетание хрома, марганца и молибдена позволяет существенно повысить устойчивость переохлажденного аустенита в перлитной области, что обеспечивает получение бейнитной структуры при охлаждении на воздухе. При наличии в стали бора (0,002–0,003 %) значительно улучшается прокаливаемость стали за счет тормозящего действия на процесс выделения структурно-свободного феррита вблизи границ зерен аустенита. Последнее связано с тем, что бор, растворяясь в аустените, образует сегрегации на границах его зерен, где и зарождается полигональный феррит. Однако бор, связанный в оксиды и нитриды, не оказывает тормозящего действия на выделение структурно-свободного феррита, поэтому борсодержащие стали должны быть успокоены алюминием и легированы титаном с тем, чтобы предотвратить образование нитридов бора, снижающих его содержание в твердом растворе. Кроме того, существует оптимальная концентрация бора, свыше которой задержка образования полигонального феррита менее четко выражена. Это связано с тем, что при увеличении концентрации свыше оптимальной бор образует соединения Fe₂Bили Ме₂₃(С, В)₆, расположенные по границам аустенитных зерен и выделяющиеся до осуществления реакции образования полигонального феррита.

Наличие в составе стали сильных карбидо– и нитридообразующих элементов (N,Nb) обеспечивает карбонитридное упрочнение и мелкозернистость стали. Добавка в сталь меди (около 3 %) обеспечивает дисперсионное упрочнение. Однако для его осуществления необходимо, чтобы температура бейнитного превращения не была выше той, при которой появляются упрочняющие частицы меди, во избежание их растворения.

Типичными представителями низкоуглеродистых бейнитных сталей являются 08Г2МФБ, 14ХМНДФР, 14Х2ГМР.

В бейнитных сталях реализуются следующие механизмы упрочнения: твердорастворный, деформационный, зернограничный, дисперсионный, субзеренный. Контролируемая прокатка бейнитных сталей позволяет существенно повысить их свойства. Так, сталь 08Г2МФБ после контролируемой прокатки обеспечивает σ_в≥ 600 МПа; σ_0,2≥ 470 МПа; δ ≥ 20 %;KCU^–15 = 0,9 МДж/м²;KCU^–60 = 0,65 МДж/м². Эта сталь разрабатывалась для изготовления газопроводных труб. В последних работах показана возможность создания высокопрочнойCr–Ni–Cu–Moстали, содержащей до 0,06–0,07 % С, с бейнитной структурой, которая при пределе текучести до 700 МПа обеспечивает отличную свариваемость без подогрева.