Вопросы для самоконтроля

1. Какие стали называют мартенситностареющими?

2. Как классифицируют мартенситностареющие стали?

3. Каковы принципы легирования мартенситностареющих сталей и роль каждого легирующего элемента?

4. Каковы преимущества мартенситностареющих сталей перед углеродсодержащими высокопрочными и каковы их недостатки?

5. Чем объясняется высокое сопротивление хрупкому разрушению мартенситностареющих сталей?

6. В чем заключается термообработка мартенситностареющих сталей?

7. Каковы причины упрочнения и разупрочнения мартенситностареющих сталей при старении?

8. Какие механизмы упрочнения реализуются в мартенситностареющих сталях?

9. Что такое «тепловая хрупкость» и как с ней бороться?

10. Как влияет метастабильный аустенит на свойства мартенситностареющей стали?

11. Какие мартенситностареющие стали относятся к экономнолегированным?

12. Какими способами можно повысить свойства экономнолегированных мартенситностареющих сталей?

13. Каковы области применения мартенситностареющих сталей?

Литература

1. Гольдштейн М.И.Специальные стали: Учебник для вузов /М.И.Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер.– М.: МИСИС, 1999. – 408 с.

2. Перкас М.Д.Структура, свойства и области применения высокопрочных мартенситностареющих сталей /М.Д. Перкас// МиТОМ. – 1985. - № 5. – С. 23-31.

3. Перкас М.Д.Высокопрочные мартенситностареющие стали /М.Д. Перкас,В.М. Кардонский.– М.: Металлургия, 1970. – 224 с.

4. Бодяко М.Н.Мартенситностареющие стали /М.Н. Бодяко, С.А. Астапчик. – Минск.: Наука и техника, 1976. – 246 с.

5. Пестов И.В.Механические свойства мартенситностареющей стали с (альфа-гамма) – структурой после пластической деформации //И.В. Пестов,А.Я. Малолетнев, М.Д. Перкас и др.// МиТОМ. - № 3. – 1991. – С. 36-38.

6. Бирман С.Р.Экономнолегированные мартенситностареющие стали /С.Р. Бирман.– М.: Металлургия. – 1974. – 206 с.

7. Малинов Л.С.Влияние термической обработки на структуру и свойства экономнолегированных мартенситностареющих сталей /Л.С. Малинов, И.К.Коротич, А.Г. Фирсова// МиТОМ. – 1981. - № 4. – С. 25-28.

8. Малинов Л.С.Влияние пластической деформации на кинетику старения и свойства малоникелевой мартенситнорающей стали /Л.С. Малинов, М.А.Смирнов, И.К. Коротич и др.// ФММ, вып.6. – Т.43. – 1977. – С. 1242-1248.

9. Малинов Л.С.Химико-термическая обработка экономнолегированных мартенситностареющих сталей /Л.С. Малинов, И.К. Коротич// МиТОМ. - № 9. – 1979. – С. 36-39.

3.3.4 Метастабильные аустенитные стали (мас) Особенности мас

Это аустенитные стали, в которых при пластической деформации выше точки М_н, но ниже точки М_дпроисходит фазовое превращение аустенита в мартенсит деформации (→).

Причину появления мартенсита выше температуры начала мартенситного превращения при охлаждении (М_н) в условиях действия внешней нагрузки часто иллюстрируют схемой, приведенной на рисунке 3.17, где Т₀– температура равновесия исходной () и мартенситной () фаз,– критическая величина движущей силы, необходимая для начала превращения→при охлаждении без нагрузки.

Мартенситное превращение может начаться при температуре Т₁(М_нТ₁Т₀), если внешняя нагрузка облегчает образование критического зародыша, т.е. если она снижает на некоторую величину требуемую движущую силу.

Рисунок 3.17 – Влияние внешней нагрузки на мартенситное превращение

Более детально соотношение температуры начала мартенситного превращения, величины приложенного напряжения () и температурной зависимости предела текучести стабильного аустенита (_т) иллюстрирует схема, предложенная Олсоном и Коэном (рисунок 3.18).

Рисунок 3.18 – Взаимосвязь напряжения и температуры появления мартенсита

1 – мартенсит напряжения; 2 – мартенсит деформации;

– предел текучести аустенита

При температуре М_нпервые кристаллы мартенсита возникают без помощи внешней нагрузки. В температурном интервале М_нТобразование мартенситных кристаллов инициируется упругими напряжениями_т. Получаемый в этих условиях мартенсит был назван мартенситом напряжения. ПриТМ_дпластическая деформация аустенита предшествует появлению мартенсита, который был назван мартенситом деформации. Выше температуры М_двызвать мартенситное превращение путем деформации аустенита не удается. Пластическая деформация готовит новые, более благоприятные места, которые обеспечивают зарождение мартенситных кристаллов при значительно более низких напряжениях, чем необходимые для образования зародышей в недеформированном аустените.

Положение температур М_ни М_драссматривается как условный показатель стабильности аустенита. При равном положении мартенситных точек и одинаковом содержании углерода образование мартенсита при деформации протекает более интенсивно в марганцевых и хромомарганцевых сталях, чем в никелевых и хромоникелевых. Большая склонность марганцевого и хромомарганцевого аустенитов к мартенситному превращению при деформации связана с низкой энергией дефектов упаковки, которые являются зародышами кристаллов– и–мартенсита деформации. Мартенситные превращения в хромомарганцевых сталях развиваются по схеме→→, при этом обычно в случае малых степеней деформации инициируется→-, а при больших→-, а также→-превращение.

Суммируя результаты исследований ряда ученых, можно заключить, что эффект упрочнения МАС в процессе пластической деформации в интервале температур М_н–М_допределяется следующими основными факторами:

1) деформационным упрочнением аустенита;

2) количеством, прочностью и распределением образующихся при деформации и-мартенситных фаз;

3) наклепом кристаллов мартенсита деформации.

Деформационное упрочнение аустенита обусловлено процессами, приводящими к повышению общей плотности дислокаций, изменению характера их распределения, измельчению блоков мозаики и возникновению барьеров Ломера – Коттрелла при пересечении дислокаций, а при низких значениях ЭДУ дополнительным двойникованием и образованием дефектов упаковки.

Дополнительное упрочнение от образования мартенсита деформации обусловлено как собственно более высокой твердостью и дисперсностью мартенсита, так и созданием в зернах аустенита прочного каркаса из пластин мартенсита, препятствующих сдвиговым процессам в аустените. Установлено, что твердость мартенсита деформации существенно выше, чем мартенсита охлаждения вследствие более высокой плотности дислокаций, а микроискажения кристаллов мартенсита деформации в 3 раза больше, чем в мартенсите охлаждения. Высокая степень упрочнения МАС вследствие выделения кристаллов - и-мартенсита деформации обусловлена также и фазовым наклепом вследствие разницы в удельном объеме исходной и образующихся фаз.

При протекании мартенситного превращения в процессе нагружения (деформации) происходит не только упрочнение, но и релаксация внутренних пиковых напряжений. Эффект релаксации пиковых напряжений в момент сдвиговой перестройки решетки предотвращает преждевременное зарождение и распространение трещин. На мартенситное превращение при нагружении расходуется бо́льшая часть энергии внешнего воздействия, поглощенной металлом. Остальная малая часть этой энергии идет на разрушение, при этом значительно повышается энергоемкость разрушения.

ПНП- стали

В середине 50-х годов прошлого века И.Н. Богачевым и Р.И. Минцем был предложен принцип, согласно которому мартенситное превращение должно протекать в процессе испытаний механических свойств или эксплуатации, а не в процессе упрочняющих обработок, как это было общепринято.

В 1966 г. этот принцип был использован Закеем и Паркером, которые предложили высокопрочные стали с пластичностью, наведенной превращением, в отечественной литературе они получили название ПНП-сталей (пластичность, наведенная превращением), а в зарубежной литературе трип-сталей (TRIP-transformationinducedplasticity). Принцип их получения и способы упрочнения состоят в следующем.

Соответствующим подбором легирующих элементов снижают мартенситные точки М_ни М_дниже комнатной температуры. Таким образом, после закалки такие стали имеют аустенитную структуру. Для получения повышенных прочностных свойств стали подвергают пластической деформации в интервале температур 345-980 °С (ниже температуры рекристаллизации) с большими степенями обжатия (до 80 %). При этом мартенситные точки М_ни М_дповышаются, и точка М_дстановится выше комнатной температуры (точка М_ностается ниже комнатной температуры). Повышение мартенситной точки М_дможет быть усилено за счет легирования стали карбидообразующими элементами, выделение карбидов которых при пластической деформации повышает температуры мартенситных точек М_ни М_д, т.к. образование карбидов приводит к обеднению аустенитной матрицы углеродом и легирующими элементами. Поскольку точка М_ностается ниже комнатной температуры, а точка М_дстановится выше ее, то после охлаждения от температуры теплого деформирования стали сохраняют аустенитную структуру, но этот аустенит, во-первых, имеет повышенную прочность вследствие деформационного упрочнения (наклепа) и деформационного старения (карбидообразования) в процессе теплой пластической деформации и, во-вторых, аустенит становится метастабильным по отношению к пластической деформации при комнатной температуре. Деформация метастабильного аустенита (например, при механических испытаниях) приводит к образованию мартенсита деформации при→-превращении, что сопровождается увеличением прочностных свойств и значительным ростом относительного удлинения. Механизм аномально высокой пластичности ПНП-сталей заключается в локальном упрочнении участков аустенита, в которых начинается пластическое течение, и в релаксации внутренних пиковых напряжений при образовании мартенсита деформации. Эффект релаксации пиковых напряжений в момент сдвиговой перестройки решетки предотвращает преждевременное зарождение и распространение трещин. Таким образом, образующийся мартенсит деформации затрудняет образование шейки при растяжении благодаря упрочнению в месте ее образования, и деформация образца долгое время носит равномерный характер, при этом не наблюдается разрушения образца.

ПНП-стали легируют такими элементами как марганец, кремний, молибден, хром, ванадий, вольфрам, никель. Содержание углерода в высокопрочных ПНП-сталях составляет ~ 0,3 %. В ряде случаев используют стали с высоким содержанием никеля (выше 20 %). Известны (Закей и Паркер) ПНП-стали, содержащие 0,25 % С; 24 % Niи 4,0 % Мо или 0,24 % С; 21,0 %Ni; 2,0 % Мn; 2,0 %Si; 4,0 %Mo.

Для получения повышенных прочностных свойств ПНП-стали подвергают дополнительной холодной пластической деформации с развитием →-превращения в процессе деформации. При этом прочностные свойства стали продолжают расти, а пластичность уменьшается. Так, сталь с 0,3 % С; 2 % Мn; 2 %Si; 9 % Сr; 8,5 %Niи 4,0 % Мо после прокатки при 425 °С со степенью деформации 80 % имеет_в= 1500 МПа,_0,2= 1430 МПа и= 50 %, а после дополнительной холодной прокатки со степенью деформации 15 %_в= 1750 МПа,_0,2= 1620 МПа с более низкими значениями относительного удлинения.

Для некоторых ПНП-сталей применяют дополнительные охлаждение и деформацию при низких температурах (до -196 °С) с последующим отпуском при 350–400 °С, при этом частично получают мартенсит деформации до механических испытаний. При такой обработке можно получить _0,2= 2000 МПа и= 20–25 %.

Достоинством ПНП-сталей являются высокие значения вязкости разрушения К_1с. Высокие значения вязкости разрушения для ПНП-сталей обусловлены поглощением энергии деформации при фазовом→превращении. ПНП-стали имеют высокое сопротивление усталостному, а также коррозионному разрушению. Это связано с образованием мартенсита при продвижении трещины и релаксацией напряжений в вершине трещины.

На рисунке 3.19 показаны уровни прочности и пластичности, достигаемые в высокопрочных сталях различных классов и способов обработки.

Рисунок 3.19 – Значения прочности и пластичности ПНП-сталей

по сравнению с другими высокопрочными сталями (В. Закэй)

1 – стали после ВТМО; 2 – после ТМО и деформационного старения;

3 – мартенситностареющие стали; 4 – высокопрочные низколегированные

стали; 5 – ПНП-стали

ПНП-стали имеют при сопоставимой прочности более высокую пластичность.

К недостаткам ПНП-сталей относятся значительные трудности, связанные с осуществлением высоких степеней пластической деформации при сравнительно низких температурах деформации, трудность контроля состава стали, обеспечивающего необходимые характеристики превращения, высокая стоимость, особенно в случае использования высоконикелевых сталей, ограничения по сортаменту (лист, проволока, пруток).

ПНП-стали можно использовать для производства ответственных деталей авиаконструкций, броневого листа, а также высокопрочной проволоки и тросов. Работами И.Н. Богачева с сотрудниками принцип ПНП положен в основу создания кавитационностойких сталей. Создано много экономнолегированных сталей, в которых использован принцип получения того или иного количества метастабильного аустенита.