Новые высокопрочные и сверхпрочные материалы с высокой пластичностью на основе железа

.

Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, когда оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Этим требованиям в значительной степени отвечают без углеродистые ( ≤0.03 % С ) мартенситно-стареющие стали, углерод и азот в составе которых – вредные примеси, снижающие пластичность и вязкость стали . Эти стали упрочняются закалкой и последующим старением .

Следует вспомнить, что мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α – Fe: содержание углерода в мартенсите может быть таким же, как и в исходном аустените, т. е. может достигнуть 2,14 %.

Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлаждён до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, т. е. не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита.

Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Сдвиговой механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие межатомные.

Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень высока (~ 1000 м/с).

Вследствие разности удельных объемов мартенсита и аустенита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что, в конечном счете, приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов.

При переохлаждении аустенита до температуры, соответствующей точке М_Н (М_S в иностранной литературе) аустенит превращается в мартенсит. Таким образом, М_H – температура начала мартенситного превращения. Если непрерывное охлаждение стали прекратить, то превращение остановится. Чем ниже охладить аустенит, тем больше образуется мартенсита.

По достижения определенной для каждой стали температуры (M_K ) превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эту температуру окончания мартенситного превращения обозначают M_K . Положение M_H и M_K не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом аустенита : чем больше в аустените углерода, тем ниже M_H и M_K . Все легированные элементы, растворенные в аустените, за исключением Coи Al , понижают M_H и M_K (рис.1).

Если задержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежащей ниже температуры, соответствующей M_H , например 20ºC , то, аустенит, сохранившийся не превращенным при охлаждении до этой температуры, становится устойчивым (А_ост ). Это явление стабилизации проявляется более сильно в интервале температур M_H …M_K и зависит от температуры, при которой задержалось охлаждение. Температура, ниже которой проявляется этот эффект стабилизации, обозначается M_С .

1.1Мартенситно – стареющие стали.

Мартенситно – стареющие стали представляют собой сплавы Feс Ni (8-20 % масс.), а часто и с Co . Для протекания процесса старения в мартенсите, сплавы дополнительно легируют Ti , Al , Mo , и другими элементами. Высокая прочность мартенситно- стареющих сталей обязана образованию твёрдого раствора Feи легирующих элементов ( Ni , Co , Mo , Alи другие ), мартенситному превращению, сопровождающаяся фазовым наклепом и, главным образом, старению мартенсита, при котором происходит образование сегрегаций , метастабильных и стабильных фаз типа Fe3 Mo , Ni3 Mo , Ni3 Ti , NiAlи других . Высокое сопротивление хрупкому разрушению объясняется пластичностью и вязкостью без углеродистого мартенсита (“мартенсит замещения “) .

Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенситно-стареющая сталь Н18К9 М5Т ( ≤0,03%С, ~18%Ni, ~9%Co, ~5%Mo, ~0,6%Ti).

Сталь закаливают на воздухе от 820-850ºС. После закалки, сталь состоит из безуглеродистого массивного (реечного) мартенсита, имеющего наряду с низкой прочностью хорошие пластичность и вязкость: σ_0.2 = 950…1100 МПа; σ_в = 1100…1200Мпа; δ = 18…20%; ψ = 70…80%; и KCU = 2,0…2,5 МДж/м² . Таким образом, характерной особенностью безуглеродистого мартенсита являются высокое значение пластичности и вязкости. В закаленном состоянии мартенситно-стареющие стали, легко обрабатываются резанием, хорошо свариваются.

Старение при 480-520ºС повышает прочность мартенситно-стареющих сталей, но понижает пластичность и вязкость. Механические свойства после старения:

σ_0.2 = 1800…2000 Мпа; σ_в = 1900…2100 Мпа; δ = 8…12%; ψ = 40…60%; KCU = 0,4…0,6 МДж/м² ; HRС = 52.

Кроме стали Н18К8М5Т нашли применение менее легированные мартенситно-стареющие стали: Н12К9М3Г2, Н10Х11М2Т и т.д.

Мартенситно-стареющие стали после закалки и старения имеют удельную вязкость того же порядка что и другие высокопрочные стали (KCU = 0,35…0,6 МДж/м² ). Однако порог хладноломкости у мартенситно-стареющих сталей на 60…80Kниже, а работа распространения трещины КСТ значительно выше, чем у углеродистых высокопрочных сталей (0,25…0,3 МДж/м² вместо 0,06…0,08 МДж/м² ). Вязкость разрушения у мартенситно-стареющих сталей при σ_в = 1800…2000 Мпа составляет 50…70 Мпа·м в степени (1/2), тогда как у углеродосодержащих легированных сталей при том же значении σ_0.2 = 20…30 Мпа·м^1/2 .

Мартенситно-стареющие стали, имеют высокий предел упругости, поэтому могут применяться для изготовления пружин. При низких температурах прочностные свойства, как обычно, возростают, но при сохранении повышенной пластичности и вязкости, что позволяет их использовать при низких температурах. Эти стали с 11-12% Crотносятся к коррозионно-стойким. Их применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, судостроении, приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д. Но эти стали дорогостоящие.

1.2. Высокопрочные стали с высокой пластичностью .

Метастабильные высокопрочные аустенитные стали называют ТRIP – сталями (TRIP – от начальных букв слов TransformationInducedPlasticity) или ПНП – сталями (пластичность, наведенная превращением). Эти стали содержат 8…14% Cr, 8…32% Ni, 0,5…2,5%Mn, 2…6%Mo, до 2% Si. Пример марочного состава: 30Х9Н8М4Г2С2, 25Н25М4Г1. Отличительной особенностью сталей является то, что после аустенизации при 980…1200ºС температуры мартенситного превращения М_Н и М_Д (начало образования мартенсита деформации), находятся ниже 20ºС, т.е. стали имеют аустенитную структуру.

Для придания стали высоких механических свойств после аустенизации ее подвергают 80%-ной деформации (прокатка, волочение, гидроэкструзия и т.д.) при 250…550ºС (ниже температуры рекристаллизации). При деформации аустенит претерпевает наклеп и обедняется углеродом, что приводит к повышению точек М_Н и М_Д . При этом точка М_Д становится выше 20ºС. При охлаждении, следовательно, аустенит становится метастабильным и при его дальнейшем деформировании происходит мартенситное превращение. Поэтому при испытании на растяжение участки аустенита, где локализуется деформация, претерпевают мартенситное превращение, что приводит к местному упрочнению, и деформация сосредотачивается в соседних (неупрочненных) объемах аустенита. Следовательно, превращение аустенита в мартенсит исключает возможность образования “шейки”, что объясняет высокую пластичность ПНП-сталей.

Механические свойства ПНП-сталей:

σ_0.2 = 1400…1500 Мпа; σ_в = 1500…1700 Мпа; δ = 50…60%.

Характерным для этой группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости σ_-1 . При одинаковой или близкой прочности ПНП-стали пластичнее, а при равной пластичности имеют более высокий предел текучести, чем мартенситно-стареющие стали или легированные высокопрочные стали.

Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки, анизотропия свойств деформированного металла и т.д.

Эти стали, используют для изготовления высоконагруженных деталей: проволоки, тросов, крепежных деталей и др.