книги / Специальные стали. Теория легирования

влокальных областях присутствуют незначительная диффузия легирующих элементов, в результате чего образуются области обедненного и обогащенного аустенита. Для обедненного аустенита повы-

шается точка Мн и протекает мартенситное превращение, а в обогащенном аустените не протекают превращения, характерные для бейнитного. Данный факт объясняет, что изотермическое мартенситное превращение никогда не идет до конца.

Взрывной тип кинетики. Такой тип кинетики распространен

всталях с большим количеством γ-стабилизаторов (С, Ni, Mn), когда мгновенно образуется 50–70 % мартенсита. Основной движущей силой является эффект накопления внутренних напряжений. Наиболее важным для данного превращения является тот факт, что оно автокаталитично, то есть образование первых пластин вызывает появление новых.

Влияние деформации на мартенситное превращение

Предварительная деформация аустенита перед мартенситным превращением может влиять на температуру начала мартенситного превращения, кинетику, условия протекания и механизм мартенситного превращения. Степень влияния зависит от температуры деформации, степени деформации и химического состава стали.

1.Пластическая деформация малой степени активизирует превращение (ускоряет). Это проявляется в повышении температуры начала мартенситного превращения и увеличении скорости превращения, при изотермической кинетике происходит уменьшение остаточного аустенита. Понижается температура обратного мартенситного превращения для сталей с изотермической кинетикой.

Ускорение превращения связано с тем, что увеличивается плотность дефектов кристаллического строения, а при образовании дефектов упаковки возникают локальные напряжения, что способствует образованию зародышей мартенсита (рис. 28).

Например, 05Х17Н9 сталь аустенитного класса Мн ниже комнатной температуры.

2.Большие пластические деформации затрудняют мартенситное превращение, это связано с образованием в аустените большого

71

количества дефектов, которые затрудняют образование и рост когерентных зародышей мартенсита, т.е. тормозят сдвиговое превращение (рис. 29).

% М	Мн ˂ tкомн
	tизот = –75 °С ˂ Мн

ε = 8 %

5

Без деформации

2

Время, ч

4, ч

Рис. 28. Влияние деформации малой степени на развитие мартенситного превращения

% М	Мн ˂ tкомн	Сталь 05Х17Н9
	tизот = –75 °С ˂ Мн

Без деформации

2

ε = 17 %

1

4, ч

Время, ч

Рис. 29. Влияние деформации большой степени на развитие мартенситного превращения при изотермической кинетике

72

	Мн = 0 °С
% М	Мк˂ –70 °С
	Сталь 110Г2
	70 %
50 %	1
2	Без деформации
10 %	ε = 30 %
–70	0	Т, °С

Рис. 30. Влияние деформации на развитие мартенситного превращения при атермической кинетике

Важно помнить, что Мн – это температура начала мартенситного превращения при охлаждении недеформированного аустенита, в этом случае получаем мартенсит закалки или мартенсит охлаждения (рис. 30). Пластическая деформация понижает температуру начала мартенситного превращения, при этом количество мартенсита уменьшается. В условиях атермической кинетики образование мартенсита под действиемдеформации происходитвовремядеформации.

3. Во время деформации, когда tдеф ˃ Мн, мартенсит закалки не образуется, а мартенсит деформации образуется при определенных условиях. В связи с этим различают два вида мартенсита – Мохл и Мдеф (в случае Мдеф происходит повышение Мн во время деформации). Эти два вида мартенсита не отличаются по морфологии.

Образование мартенсита деформации – пластичность, наведенная превращением (ПНП), или TRIP-эффект

Образование мартенсита деформации происходит при определенных условиях, при температурах, близких к Мн. Интервал температур Мдеф–Мн, именно в нем и происходит образование мартенсита деформации, при температуре выше Мдеф мартенсит не образуется.

73

Внутри интервала Мдеф–Мн вероятность образования мартенсита будет зависеть от степени деформации, чем температура ближе к Мдеф, тем большие степени деформации требуются для протекания превращения, чем ближе температура к Мн, тем меньшая деформация необходима для получения мартенсита деформации.

Различают и такое понятие, как мартенсит напряжения (отличаться он будет от мартенсита деформации тем, что образуется при разных степенях деформации, существует упругая и пластическая деформация). Когда напряжения ниже предела текучести аустенита, образуется мартенсит напряжения, а мартенсит деформации образуется, когда напряжения выше предела текучести аустенита (рис. 31).

F

∆F

М

А

Т, °С

Мн Мнσ Мдеф То

Рис. 31. Положение интервалов мартенсита деформации и мартенсита напряжения относительно Мн

Если проводить деформацию внутри интервала Мн–Мнσ, то для образования мартенсита необходимо прикладывать меньшие усилия, чем в интервале Мнσ–Мдеф; вблизи температуры Мн уже малая деформация вызывает мартенситное превращение.

В интервале Мн–Мнσ уже при малых степенях деформации образуется мартенсит напряжения, тогда как в интервале Мнσ–Мдеф уже при большихстепеняхдеформацииобразуетсямартенситдеформации.

74

Превращения, происходящие при образовании мартенсита деформации, были использованы на практике в сталях с TRIPэффектом. Он заключается в том, что при образовании Мдеф происходит упрочнение А→М (самоупрочнение).

В качестве вариантов практического применения данного эффекта можно рассмотреть следующие примеры.

1. Стали с метастабильным аустенитом по отношению к пластической деформации. Данная группа сталей легирована таким образом, что температура Мн лежит ниже комнатной, а температура Мдеф – выше комнатной. Именно по этой причине в сталях аустенитного класса под действием пластической деформации может образоваться мартенсит деформации, например сталь Гадфильда (110Г13). Сталь имеет аустенитную структуру, обладает низкими прочностными характеристиками, но при деформации с большими степенями происходит образование мартенсита деформации. Упрочнение в этих сталях происходит по двум причинам: 1) наклеп аустенита; 2) легированный марганцем аустенит метастабилен. Данный материал применяется в деталях, испытывающих ударно-абразивный износ. В процессе эксплуатации данных сталей упрочнение происходит в тонком поверхностном слое, который, упрочняясь под действием пластической деформации, превращается в мартенсит деформации. Затем данный слой выполняет определенное время свои задачи по сопротивлению изнашиванию в процессе эксплуатации и выкрашивается со временем, на поверхность выступает новый аустенит, который до этого находился под упрочненным слоем, и так происходит достаточно продолжительное время. Одним из вариантов применения является игла ковша экскаватора. Эту сталь не обязательно упрочнять до эксплуатации, она получает требуемые свойства в процессе работы.

2. Следующим представителем является сталь 30Х10Г10 – кавитационностойкая сталь. Химический состав данной стали позволяет образоваться мартенситу деформации при температурах выше комнатной, при том, что Мн ниже комнатной температуры. Это сталь, работающая в потоке жидкости, сопротивляется микропластической деформации, которая создается от пузырьков воздуха или

75

иных газов, движущихся внутри потока и соударяющихся с поверхностью материала. Пузырьки газов, взвешенные в жидкости, при соударении с поверхностью схлапываются при ударе и тем самым создают микропластическую деформацию и упрочнение поверхностного слоя (применение: лопасти турбины, гребные винты).

3.TRIP-стали или ПНП-стали (пластичность, наведенная превращением). Это стали с исходно метастабильным аустенитом, но

обязательное условие – температура Мдеф ниже комнатной. Такие стали подвергаются теплой деформации, при повышении плотности дислокаций происходит наклеп, кроме того, на дислокациях образуются карбиды, происходит обеднение твердого раствора по углероду

илегирующим элементам, что приводит к повышению температуры

мартенситного превращения и Мдеф становится выше комнатной, аустенит становится метастабильным. Свойства этих сталей отличаются от предыдущих тем, что кроме высокой прочности имеют высокую пластичность. Из них изготавливают тросы для канатных дорог. Химический состав 0,2–0,3 % С, около 10% Ni, Cr, Mn, Si.

4.Явление памяти формы предполагает образование мартенсита деформации, но не с целью упрочнения, а с целью восстановления формы. Стали с термоупругим мартенситом отличаются тем, что рост кристаллов мартенсита происходит без разрушения когерентности границ, т.е. при охлаждении – рост кристаллов, а при нагреве исчезновение границы по тем же местам, что и при росте. Сплавам при повышенных температурах придают форму, затем при более низких температурах деформируют, и происходит подрастание кристаллов мартенсита. Таким образом, материал приобретает структуру мартенсита, а при повторном нагреве происходит обратное превращение – исчезновение мартенситных кристаллов и появление аустенита с исходной формой (нитинол) Ni, Ti по 50% каждого.

Лекция 10. Влияние легирования на закаливаемость сталей

Закаливаемость – это способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость – это характеристика той максимальной твердости, которую данная сталь может приобретать после закалки с оптимальной температуры нагрева. Обратим внимание

76

на такой важный момент, как наличие второй фазы после закалки. В некоторых случаях второй фазой может быть остаточный аустенит, в таком случае нужно учесть, что изменится объемная доля мартенсита, а это поведет за собой снижение общей твердости стали по сравнению с той твердостью, которая могла бы получиться в стали без остаточного аустенита. Если рассматривать идеальный вариант, когда в стали нет остаточного аустенита, то твердость закаленной стали зависит только от содержания углерода.

В закаливаемости важна правильность назначения температуры под закалку стали. В доэвтектоидных сталях это температура выше Ас3, в заэвтектоидных сталях температура выше Ас1 (рис. 32).

Рис. 32. Диаграмма состояния с интервалами нагрева углеродистых сталей: 1 – отжиг, нормализация, закалка доэвтектоидных сталей; 2 – отжиг, закалка

заэвтектоидных сталей; 3	–	нормализация	заэвтектоидных	сталей;
4 – диффузионный отжиг;	5	– низкий отпуск; 6 – средний		отпуск;
	7 – высокий отпуск
				77

На рис. 32 изображены интервалы нагрева под закалку, которые позволят получить при закалке максимальную твердость, т.е. оптимальное количество мартенсита и минимальное количество остаточного аустенита. Но не следует забывать про положение мартенситного интервала в зависимости от содержания углерода (рис. 33).

Рис. 33. Влияние содержания углерода на температуру начала и конца мартенситного превращения

В сталях с содержанием углерода от 0,55 % высока вероятность получения аустенита остаточного. В заэвтектоидных сталях проблему наличия остаточного аустенита в стали после закалки решают за счет назначения температуры нагрева под закалку в интервале температур выше Ас1, но никак не выше Асm. Получение гомогенного аустенита в заэвтектоидных сталях приводит к повышению содержания углерода в аустените и понижению температуры конца мартенситного превращения ниже комнатной температуры и, как следствие, к получению большого количества остаточного аустенита (до 30 %) и малого количества мартенсита. Таким образом, твердость стали будет ниже, чем должна быть после оптимальной температуры нагрева заэвтектоидной стали под закалку.

После закалки стали структура может быть трех видов:

1)мартенсит;

2)мартенсит + остаточный аустенит;

3)мартенсит + аустенит остаточный + цементит.

78

Возможность образования каждого из перечисленных вариантов представлены на рис. 34.

HRC закаленной

стали

65 HRC

60 HRC

М + Аост

М

М + Ц + Аост

%, С

0,6 0,8

Рис. 34. Влияние содержания углерода на твердость закаленной стали

Из трех представленных вариантов наиболее сложным является третий, где происходит образование мартенсита, а частицы цементита не являются упрочняющей фазой – это остатки нерастворенного под закалку цементита. На твердость стали эти частицы не влияют, поэтому закаливаемость стали зависит от количества мартенсита.

В случае когда в структуре присутствует мартенсит и аустенит остаточный, закаливаемость будет зависеть от содержания углерода в мартенсите и количества мартенсита.

Влияние легирующих элементов на закаливаемость

1.На твердость мартенсита легирующие элементы не влияют.

2.Легирующие элементы могут влиять на количество мартенсита. Понижая мартенситные точки, легирующие элементы уменьшают объемную долю мартенсита, увеличивают долю остаточного аустенита, снижая общую твердость стали.

В качестве примера можно сравнить закаливаемость двух сталей: 40 и 40ХН2МА. В сталях одинаковое содержание углерода при условии закалки с температуры выше Ас3 и охлаждении со скоро-

79

стью больше критической. В структуре стали 40 после закалки получаем мартенсит, а в стали 40ХН2МА – мартенсит и аустенит остаточный, твердость легированной стали будет ниже твердости углеродистой. В данном случае важно понимать, что твердость мартенсита обеих сталей будет одинакова (собственная твердость мартенсита), различным будет лишь его количество, что приведет

кобщей разной твердости.

3.Легирующие элементы, образующие устойчивые специальные карбиды, которые не растворяются в аустените при нагреве под закалку, могут снижать твердость стали из-за уменьшения содержания углерода в мартенсите. Такие элементы, связываясь с углеродом, уменьшают его концентрацию в аустените, а следовательно, при закалке получим мартенсит с меньшей твердостью, чем в стали без легирующих элементов, но с аналогичным содержанием углерода.

Такие элементы, как V, Nb, Ti, понижают закаливаемость стали, именно по этой причине все сильные карбидообразующие элементы вводят в микродобавках.

Графитизирующие элементы влияют аналогично карбидообразующим элементам – могут снижать закаливаемость (Al, Si, Cu). Кремний выделяет углерод в свободном состоянии в виде графита, поэтому его количество в стали не должно превышать 2 %.

Влияние легирующих элементов на прокаливаемость

Прокаливаемость – это способность стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности (мм). Прокаливаемость может быть сквозной и не сквозной, чаще ее называют прокаливаемостью до полумартенситной зоны (ПМЗ) 50 % мартенсита в сечении и 50 % троостита.

Сквозная прокаливаемость – это такая закалка, когда по всему сечению получается структура не хуже требуемой по условиям прокаливаемости (конструктора). На практике чаще всего используется понятие «до полумартенситной зоны».

В некоторых сталях до ПМЗ закалку проводить нельзя в силу высоких требований к эксплуатации, в таких сталях прокаливаемость получают до 90–95 % мартенсита.

80