Превращения в железе и стали

Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И.

Наука, 1977 г.

7. Новые классы конструкционных сталей

Как показано в главе 3, мартенситное превращение неизбежно связано с возникновением тех или иных внутренних напряжений. Бели их релаксация путем микропластической деформации в ходе и сразу же после превращения протекает недостаточно полно, то эти напряжения могут привести к снижению ударной вязкости, повышению критической температуры хрупкости [505], к образованию закалочных трещин и изменению размеров изделий. Все факторы, затрудняющие движение дислокаций, затрудняют и релаксацию внутренних напряжений. К таким факторам, если речь идет о мартенсите, относится прежде всего закрепление дислокаций атмосферами атомов углерода или карбидными выделениями. Практически полное закрепление дислокаций в мартенсите достигается при содержании углерода около 0,2% (по массе) [306].

В легированных конструкционных сталях уже при содержании углерода более 0,1—0,15% в определенном температурном интервале (500— 300° С) развивается промежуточное (бейнитное) превращение. При умеренном легировании и содержании углерода менее 0,3% устойчивость аустенита по отношению к этому превращению относительно невелика. При закалке в структуре стали, кроме мартенсита, может содержаться некоторая доля бейнита и это также приводит к понижению сопротивления хрупкому разрушению. Повышенное содержание углерода ухудшает также свариваемость стали. По этим и другим причинам большой интерес проявляется к низкоуглеродистым сталям с мартенситной структурой.

В последнее время разработаны низкоуглеродистые стали с мартенситной структурой после охлаждения на воздухе, подвергаемые последующему дисперсионному твердению при 400—500° С; временное сопротивление таких сталей составляет до 220—250 кге/мм² [515, 516]. Стали эти легированы никелем, кобальтом, молибденом и небольшими количествами алюминия и титана (типичный состав: 12—18% Ni; до 10% Со; 3—5% Мо; 0,6—1,0% Ti). Такие мартенситно-стареющие стали отличаются низкой температурой перехода к хрупкому разрушению, очень малой чувствительностью к трещинам при высоких значениях прочности. Наряду с этим такие стали имеют значительные преимущества технологического характера: поддаются в закаленном состоянии до старения (σ* = 100 кгс/мм²) значительному формоизменению, легко подвергаются механической обработке, хорошо свариваются, имеют минимальные объемные изменения при термической обработке.

Упрочнение мартенситно-стареющих сталей — результат трех процессов: упрочнения твердого раствора замещения при легировании, упрочнения вследствие мартенситного γ -> α превращаения и упрочнения, связанного с разными стадиями распада твердого раствора с образованием сегрегаций и дисперсных частиц метастабильных или стабильных фаз. Основной вклад в упрочнение вносят второй и третий процессы. В результате мартенситного превращения γ — а (при охлаждении на воздухе) образуется тонкая субструктура с высокой плотностью дислокаций. Старение мартенсита — процесс многостадийный. На низкотемпературной стадии распада происходит, видимо, миграция атомов легирующих элементов к дислокациям и образование концентрационных неоднородностей, затем возникают нестабильные выделения с упорядоченным расположением атомов и, наконец, образуются дисперсные частицы стабильной интерметал- лидной фазы. Частицы интерметаллидов размером 50—100 А обнаруживаются на стадии максимального упрочнения (выше 480—500° С). Имеются некоторые основания считать, что частицы интерметаллидов когерентно связаны с матрицей.

Высокое сопротивление хрупкому разрушению мартенситно-стареющих сталей определяется, во-первых, высокой вязкостью матрицы — низкоуглеродистого мартенсита, легированного никелем и кобальтом, повышающими подвижность дислокаций, и, во-вторых, тем, что высокая плотность дислокаций в мартенсите обусловливает большую дисперсность и однородность распределения частиц второй фазы при распаде (старении) по сравнению со старением феррита или аустенита. Особые свойства этих сталей, выделяющие их в особый класс материалов, объясняются, таким образом, следующим. Из состава стали практически исключен углерод, затрудняющий релаксацию напряжений. Мартенситное превращение в системе железо — никель приводит к относительно однородному распределению дислокаций. В связи с этим при последующем старении достигается равномерное распределение дисперсных частиц упрочняющей интерметаллидной фазы. Легирование никелем (и кобальтом) увеличивает подвижность дислокаций и также способствует релаксации напряжений; легирование молибденом устраняет в определенной мере излишнее опережение выделения частиц упрочняющей фазы по границам зерен и предотвращает поэтому межзеренное хрупкое разрушение. Легирование кобальтом также повышает температуру начала мартенситного превращения М_н и обеспечивает получение в этих сплавах 100%-ной мартенситной структуры; вместе с тем легирование кобальтом понижает растворимость молибдена и способствует дисперсионному твердению [515, 517]. Не исключено, что определенную роль играет различие в свойствах фаз, выделяющихся при отпуске обычных сталей (карбиды) и старении мартенситно-cтареющих сталей (интерметаллиды).

В мартенситно-стареющих сталях получение мартенситной структуры при малых содержаниях углерода и умеренных скоростях охлаждения обеспечивается сравнительно высоким легированием. При введении 10— 18% Ni температура γ — а превращения снижается столь сильно, что это превращение может осуществляться только по мартенситному механизму.

Однако возможен и другой путь получения мартенсита в низкоуглеродистых сталях [518, 519, 13]. Как следует из гл. 1, некоторые легирующие элементы в определенных сочетаниях существенно повышают устойчивость γ-фазы к «нормальному» превращению (рекристаллизационного типа). При совместном легировании хромом и никелем (Х8Н2), хромом, никелем и молибденом (Х6Н2М, ХЗН2М), никелем и молибденом (НЗМЗ), хромом и марганцем и содержании углерода 0,04—0,09% продолжительность инкубационного периода «нормального» превращения при температуре минимальной устойчивости γ-фазы составляет от десятков минут да нескольких часов. При таком легировании и содержании углерода не наблюдается промежуточного превращения. Резкое повышение устойчивости аустенита по отношению к «нормальному» γ — а превращению наблюдается при повышении содержания углерода от 0,01 до 0,04%. Это может быть· следствием понижения подвижности металлических атомов при самодиффузии из-за взаимодействия атомов углерода с вакансиями. В сталях с 3— 5% Сг бейнитное превращение не наблюдается вплоть до содержания углерода 0,1%, и такие так называемые низкоуглеродистые мартенситные стали имеют при охлаждении на воздухе мартенситную структуру в изделиях большого сечения (диаметром 50—600 мм в зависимости от легирования).

Низкоуглеродистый мартенсит отличается типичным «пакетным» строением (см. гл. 3). Отпуск до 500° С не приводит к существенным изменениям структуры; при ~700° С начинается рекристаллизация.

Свойства закаленных сталей Х8Н2, Χ32Μ и подобных им при содержании углерода 0,04—0,07%: σ_Β = 100—110 кгс/мм²; σ_0,2 = 75—85 кгс/ /мм²; δ = 10- 18%; ψ = 60-66%; а_н = 10—20 кгс*м/мм². Нагрев (отпуск) до 400—500° С приводит к заметному росту предела пропорциональности (на 20—25 кгс/мм²) и предела текучести (5—15 кгс/мм²); остальные характеристики практически не изменяются. Отпуск выше 500— 550° С ведет к разупрочнению. Повышение содержания углерода в мартенсите стали Х5Н2МБ от 0,006 до 0,04 и 0,08% вызывает рост временного сопротивления соответственно от 80 до 110 и 130 кгс/мм², предела текучести от 75 до 100 и 115 кгс/мм² и падение ударной вязкости от 18—20 до 15 кгс -м/см².

Такие низкоуглеродистые мартенситные стали характеризуются минимальным изменением размеров и формы изделий при закалке и малым коэффициентом деформационного упрочнения.

Повышение предела пропорциональности и предела текучести при отпуске до 400-550° С связано с релаксацией локальных «пиковых» напряжений. Высокая подвижность дислокаций, определяющая эффект релаксации напряжений при отпуске низкоуглеродистого мартенсита без снижения прочности, связана с неполным закреплением дислокаций атомами углерода и возможностью относительно высокого нагрева без распада мартенсита [518].

Низкоуглеродистые мартенситные стали — удобный объект для оценки вклада различных факторов состава и структуры в прочность мартенсита, поскольку исключаются процессы распада мартенсита. Для стали Х5Н2 с 0,006% С значение σ₀,₂ составляет 75 кгс/мм², тогда как для α-железа же такой степени чистоты по углероду σ₀,₂ = 10-12 кгс/мм². Легирование элементами замещения (Cr + Ni) дает прирост Δσ_0,2 = 8 -10 кгс/мм²; следовательно, вклад размеров кристаллов и субструктурного упрочнения (границы кристаллов, пакетов, плотность дислокаций) составляет около 50 кгс/мм². Оценка вклада отдельных факторов в прочность мартенсита проведена также в работе И. Н. Кидина, М. А. Штремеля [520] для стали с 0,006% С и 8,1% Сг. Плотность дислокаций, по расчету авторов, составляет 10¹¹—10¹² см^-2; по экспериментальным данным  — более 10¹⁰.

Введение в состав таких низкоуглеродистых мартенситных сталей элементов, вызывающих твердение при старении, позволяет повысить характеристики прочности. Так, в сталях подобного типа с 0,4% С, 2% Сu и  0,7% А1 значение временного сопротивления после старения при 450— 500° С повышается до 125—135 кгс/мм². Основной причиной упрочнения при старении в этом случае является образование когерентных с матрицей сегрегаций меди размером до 60—80А [519].

По сравнению с бейнитными низкоуглеродистые мартенситные стали имеют ряд важных преимуществ: закалка производится с охлаждением на воздухе; прокаливаемость может быть очень высокой; уровень характеристик прочности и сопротивления разрушению весьма высокий; изменения размеров при фазовых превращениях минимальные.