Достоинства и недостатки мартенситностареющих сталей

Мартенситностареющие стали обладают уникальным сочетанием механических и технологических свойств. При высокой прочности эти стали обладают высокой пластичностью, ударной вязкостью, низким порогом хладноломкости. Важнейшим преимуществом мартенситностареющих сталей перед другими высокопрочными сталями является необычно высокое сопротивление хрупкому разрушению. Так, если значение параметра К_1Сдля улучшаемой конструкционной стали мартенситного класса 40ХН2МА равно 16 МПам^1/2, то для стали Н18К9М5Т при том же уровне предела текучести оно составляет 32-49 МПа·м^1/2. Высокое сопротивление хрупкому разрушению этих сталей объясняется низкой концентрацией углерода (≤ 0,03 %), недостаточной для закрепления всех дислокаций в реечном мартенсите, поэтому имеются дислокации, способные перемещаться, а также присутствием никеля и кобальта, уменьшающих степень закрепления дислокаций примесными атомами и понижающих сопротивление кристаллической решетки железа движению свободных дислокаций. Наличие значительного числа подвижных дислокаций создает благоприятные условия для протекания релаксации напряжений в вершине трещины. Равномерное распределение дисперсных частиц интерметаллидов в пластичной безуглеродистой матрице и наличие мелкого зерна и полигональной структуры также повышает пластичность и сопротивление хрупкому разрушению.

По технологическим свойствам мартенситностареющие стали во многом превосходят стали других классов.

На всех технологических операциях для данных сталей характерны:

• высокая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур;

• отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями при обработке давлением;

- малый коэффициент деформационного упрочнения при высокотемпературной и холодной пластической деформации;

- проведение механической обработки после закалки. Отсутствие необходимости защиты поверхности от обезуглероживания при аустенизации;

- возможность сведения упрочняющей термической обработки к одной операции- низкотемпературному старению;

- малая изменяемость геометрических размеров деталей в процессе окончательной термической обработки - старения;

- хорошая свариваемость;

- хорошая коррозионная стойкость.

Вместе с тем мартенситностареющие стали не свободны от недостатков, преодоление которых заставляет усложнять технологию обработки. К их числу в первую очередь можно отнести склонность к образованию ликвационной неоднородности, трудность предотвращения выделения частиц вторых фаз (карбидов, нитридов и карбонитридов) при обработке давлением и термической обработке (тепловая хрупкость), сравнительно невысокая прочность и величина предела текучести в закаленном состоянии.

Термообработка мартенситностареющих сталей

Выбор оптимального варианта термообработки мартенситностареющих сталей различных групп определяется присутствием того или иного легирующего элемента и требуемым сочетанием механических свойств.

Структура мартенситностареющих сталей перед закалкой должна характеризоваться: 1) мелкозернистостью; 2) отсутствием значительной ликвации, наследованной от литого состояния; 3) отсутствием крупных частиц второй фазы – карбонитридов Ті, Nb,A1 и сульфидов.

В мартенситностареющих сталях может иметь место значительная ликвация поNi,Mo,Ті, Nb. Для её устранения проводят гомогенизацию при температурах 1200–1260 °С (предпочтительно 1250–1260 °С), продолжительность выдержки 1ч на 25 мм поперечного сечения.

После того, как структура стали должным образом подготовлена (отсутствуют трудно растворимые частицы второй фазы, ликвация), проводят закалку. Качество закалки определяется, во-первых, наличием или отсутствием заметных количеств остаточного аустенита; во-вторых, степенью пересыщения твердого раствора легирующими элементами, от чего зависит эффективность последующего старения; в-третьих, дисперсностью структуры, т.е. полнотой протекания процессов фазовой и структурной перекристаллизации; наличием или отсутствием в закаленном сплаве охрупчивающих фаз и -феррита.

Первое условиереализуется легированием с учетом влияния элементов на положение точки М_к. Кроме того, уменьшить количество остаточного аустенита можно дестабилизацией γ-фазы путем переохлаждения стали от 1100–1200 °С и выдержке в интервале 650–800 °С с последующим быстрым охлаждением. При выдержке в области 650–800 °С в аустените выделяются интерметаллидные фазы, что приводит к обеднению аустенита легирующими элементами и соответственно к повышению точки М_к.

В отношении второго условиясуществует установившаяся точка зрения, согласно которой повышение температуры и увеличение продолжительности выдержки при закалке способствует равномерному распределению легирующих элементов, что увеличивает эффект упрочнения при старении. Для достижения максимального прироста прочности обычно рекомендуется температура закалки на 100–200 °С выше температуры А₃.

Для третьего условиясчитается, что перекристаллизация (измельчение зерна аустенита) в мартенситностареющих сталях происходит вследствие рекристаллизации фазонаклепанного аустенита. Измельчение зерна может происходить путем зарождения новых зерен по механизму «на месте» (стали с Аl, Со, Сu), или по механизму неоднородной миграции границ зерен (стали сТі и Мо), причем температура структурной перекристаллизации чаще всего на 50–200 °С выше температуры А₃.

Большое внимание уделяется методам борьбы с «тепловым» охрупчиванием, причина которого заключается в появлении по границам аустенитного зерна при выдержке в аустенитной области или замедленном охлаждении выделений карбонитридов Ті (С,N), Мо (С,N), интерметаллидовFе₂Mo, сульфидов типаTiS₂, нитридовA1N,-фазы или других фаз в зависимости от состава стали и температурно-временных параметров обработки. Основные пути устранения зернограничного теплового охрупчивания, особенно распространенного при производстве крупных изделий, – применение многократных закалок с нагревом до высоких температур, ускоренного охлаждения.

Первую закалку проводят с нагревом до 1150–1200 С, при котором происходит растворение карбонитридов титана и др. частиц, и последующим быстрым охлаждением (в воде), что позволяет предотвратить их повторное выделение.

Далее проводится обычно трехкратная закалка для измельчения зерна от 900–950 С (на 50–70С выше А_С3) с охлаждением в воде. После закалки стали подвергают старению при оптимальных температурах и выдержке. Для стали 03Н18К9М5Т старение проводят при 520–540С с выдержкой 3 ч, охлаждение на воздухе.

Один из путей повышения пластичности и вязкости высокопрочных мартенситностареющих сталей – получение в структуре некоторого количества метастабильного остаточного аустенита, претерпевающего при нагружении, γ→превращение, развитие которого приводит к релаксации напряжений в вершине трещины и увеличивает энергоемкость процесса разрушения. Один из способов получения в структуре мартенситностареющей стали метастабильного остаточного аустенита – термоциклирование. В работе4был использован следующий режим термоциклирования: нагрев образцов со скоростью 5–20 град/мин до температур завершения→γ превращения (820С), выдержка 5 мин и последующее охлаждение на воздухе (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16 – Схемы стандартной (а) и термоциклической (б) обработки

мартенситностареющей стали Н18К9М5Т

После одного цикла такой обработки в структуре стали Н18К9М5Т наблюдается 15–18 % остаточного метастабильного аустенита, а после пяти циклов – 45–50 %. Наличие остаточного аустенита после термоциклирования обусловлено, в основном, двумя причинами:

1. Протеканием при невысоких скоростях нагрева диффузионного перераспределения легирующих элементов с образованием субмикрообластей аустенита, обедненных и обогащенных легирующими элементами. Малое время выдержки (5 мин) не обеспечивает полной гомогенизации аустенита. В результате обедненный аустенит при охлаждении превращается в мартенсит, а обогащенный – не претерпевает γ→превращение при охлаждении до 20С.

Это подтверждается повышением температуры М_ни понижением А_нс увеличением числа циклов, что обусловлено возрастанием степени концентрационной неоднородности в аустените при нагреве.

2. Уменьшением размера зерен аустенита, т.к. известно, что γ→превращение в дисперсных кристаллах затруднено.

Следует отметить, что метастабильный аустенит в структуре стали Н18К9М5Т после ТЦО присутствует в виде равномерно распределенных в мартенситной матрице кристаллов (прослоек), ориентация которых совпадает с ориентацией кристаллов мартенсита. Этим достигается наилучшее структурное состояние стали – равномерное чередование дисперсных кристаллов аустенита и мартенсита.

Результаты механических испытаний образцов стали Н18К9М5Т показали, что после одного термоцикла вследствие присутствия в их структуре 15–18 % метастабильного аустенита_вуменьшается от 2100 до 1950 МПа, ударная вязкость увеличивается от 0,4 до 0,9 МДж/м²относительное удлинение – от 8 % до 12 %, параметр вязкости разрушения К_1С– от 95 до 126 МПам^1/2. Возрастает также сопротивление малоцикловой ударной усталости. Так, при_max= 1100 МПа число циклов до разрушения увеличивается от 48000 до 60000. Таким образом, ТЦО может быть рекомендована в качестве способа повышения конструктивной прочности деталей из мартенситностареющих сталей, работающих при циклических ударных нагрузках.

В ряде работ исследовалась возможность дополнительного повышения прочности высоконикелевых мартенситностареющих сталей предварительной пластической деформацией. Деформация переохлажденного аустенита, который затем претерпевал мартенситное превращение и старение, привела к незначительному приросту прочности. Наклеп мартенсита с последующим старением в несколько большей степени повышает прочность и твердость, нежели наклеп стали в аустенитном состоянии. Холодная деформация, увеличивая плотность дислокаций, вызывает не только упрочнение мартенсита, но и ускоряет также диффузию легирующих элементов при старении и облегчает процесс зарождения центров выделяющихся интерметаллидных фаз, интенсифицируя старение и уменьшая время достижения максимального упрочнения.

В работе 5исследовалась возможность повышения эффективности влияния пластической деформации на прочность мартенситностареющей стали 02Н18К9М5Т путем создания исходной двухфазной (+ γ) – структуры термоциклической обработкой (ТЦО). ТЦО проводилась по указанному выше режиму (см. рис.3.8). Выбор ТЦО в качестве способа получения двухфазной структуры был сделан по следующим соображениям. Во-первых, получаемая при ТЦО γ-фаза метастабильна по отношению к последующей деформации, т.е. в процессе пластической деформации γ-фаза превращается в мартенсит деформации, способный к упрочнению при старении т.к. он обогащен элементами, входящими в состав упрочняющих интерметаллидных фаз. Во-вторых, ТЦО обеспечивает получение высокодисперсных кристаллови γ-фаз, что может также положительно влиять на прочность стали, т.к. границы кристаллов – эффективное препятствие для движущихся дислокаций. Для сравнения деформации подвергали сталь с однофазной мартенситной структурой после закалки от 820С (30 мин) в воде. Было установлено, что создание двухфазной (+ γ) – структуры с метастабильным аустенитом позволяет повысить эффективность влияния пластической деформации на прочность мартенситностареющей стали по сравнению с исходной чисто мартенситной структурой. Максимальная прочность достигается при содержании в исходной структуре стали 15–20 % метастабильного остаточного аустенита (после одного цикла). При этом сталь после деформации (= 45 %) и старения при 480С имеет высокий комплекс механических свойств:_в= 2300 МПа;_0,2= 2230 МПа;= 9,4 %;= 45 %;KCU= = 0,6 МДж/м²; К_1С = 283 МПам^1/2 и удовлетворительное сопротивление малоцикловой ударной усталости.

Для повышения износостойкости и усталостной прочности детали из мартенситностареющих сталей подвергают азотированию. Азотирование проводят при 460–520 С в течение 20–40 ч, т.е. совмещают с процессом старения мартенсита. В результате азотирования образуются диффузионные слои толщиной 0,2–0,25 мм, при этом твердость на поверхности сталей Н18К9М5Т и Н18К12М2ТЮ возрастает доHV850–900 и 1050–1100 соответственно и плавно понижается от поверхности к сердцевине. Азотирование вызывает появление на поверхности деталей остаточных сжимающих напряжений, что приводит к повышению усталостной прочности. Процесс азотирования может быть рекомендован для поверхностного упрочнения тяжелонагруженных деталей из мартенситностареющих сталей, в том числе для деталей, работающих в условиях ударно-циклического нагружения.