Упрочнение аустенитных сталей

Сагарадзе В.В., Уваров А.И.

Наука, 1989 г.

Сталью, как правило, называют сплавы железа с углеродом, количество которого не превышает 2%. Однако в настоящее время сравнительно широко используются стали, содержащие менее 0,1% углерода (мартенситностареющие, аустенитные нержавеющие и др.). Более того, в этих сталях углерод часто является вредной примесью и его содержание стараются уменьшить всеми возможными способами. В некоторых научных статьях термины сплав и сталь эквивалентны и используются в, качестве взаимозаменяемых. Такого же взгляда придерживались в своих статьях авторы настоящей монографии. Однако во избежание терминологической путаницы будем называть сталями такие сплавы, в которых более 50% железа, как это предложено А. П. Гуляевым [1].

Железо при нормальном давлении существует в двух модификациях: α-Fe(с ОЦК — объемноцентрированной кубической решеткой) и γ-Fe(с ГЦК — гранецентрированной кубической решеткой). При охлаждении, начиная с высоких температур, в зависимости от легированности железа происходит нормальное диффузионное или сдвиговое бездиффузионное превращение γ —α, и при комнатной температуре структура представляет собой соответственно феррит или мартенсит.

Легирование железа никелем расширяет температурную область существования γ-фазы. С увеличением содержания никеля более 10% в железоникелевых сталях определяющим при охлаждении является мартенситный механизм γ — α-превращения. Легирование никелем снижает мартенситную точку М_н. В сталях, содержащих 28% никеля, М_н становится ниже комнатной температуры, т.е. в процессе охлаждения до 25 °С мартенситное γ — α-превращение отсутствует. Такие стали будем называть аустенитными.

Дополнительное легирование никелевых сталей также приводит к изменению М_н[1—3]. Мартенситная точка повышается при легировании алюминием и кобальтом. При этом действие последнего элемента значительно сильнее. М„ снижается при легировании марганцем, молибденом, кремнием, ванадием и хромом. Следовательно, часть никеля в указанных сталях можно заменять на более дешевые элементы (например, хром) при разработке составов аустенитных сталей.

Все указанные химические элементы образуют твердые растворы замещения, а углерод, и азот, значительно снижающие М_в, — твердые растворы внедрения. Следовательно, небольшие добавки элементов внедрения (десятые доли процента) позволяют существенно уменьшить количество никеля в аустенитных сталях.

Аустенитные стали с М_Н<20°С, в которых при охлаждении или деформации образуется мартенсит, будем называть метастабильными. Здесь этот термин мы используем только в указанном смысле.

Под действием пластической деформации мартенситное превращение в аустенитных сталях может происходить выше М„. В этом случае продукты фазового превращения называют мартенситом деформации. Выше некоторой температуры, обозначаемой точкой М_д (М_д> Mg), мартенситное превращение не может протекать при любых степенях пластической деформации.

Высокопрочные аустенитные стали в качестве неферромагнитных материалов находят широкое применение в энергомашиностроении и приборостроении [4]. В никелевых сталях требованию немагнитности при 25 ⁰С отвечает практически только один состав: (28 — 29% никеля). Увеличение количества никеля приводит к образованию ферромагнитного аустенита, а уменьшение обусловливает появление в структуре ферромагнитного мартенсита охлаждения. Однако при легировании никелевых сталей другими элементами удается получать большое количество разнообразных немагнитных материалов.

Марганец, как  никель, является аустенитообразующим элементом, поэтому при добавлении их в железо можно получить аустенитные стали. Сталям, разработанным на железомарганцевой основе, посвящено значительное количество работ [5—10].

В марганцевых сталях наблюдаются два типа мартенситных превращений: γ — α (как в никелевых сталях) и γ - ε; ε-фаза возникает в результате перестройки ГЦК - ГПУ.

Концентрационные интервалы существования указанных фаз в закаленных сталях можно представить следующим образом: 1) в сплавах железа, содержащих до 10 мае. % марганца, при охлаждении ниже М1~~^аобразуется ферромагнитный а-мартенсит; 2) при концентрации марганца от 10 до 14,5% количество α-мартенсита уменьшается, а ε-мартенсита увеличивается; структура является трехфазной (α+ε+γ); 3) при концентрации марганца от 14,5 до 27% наблюдается двухфазная (у+г)-структура, количество ε-мартенсита в значительной степени зависит от содержания марганца: максимальное количество ε-фазы наблюдается в сталях с 17... 18% марганца; 4) при содержании в твердом растворе марганца больше 27% материал является аустенитным.

Следует обратить внимание на тот факт, что кристаллы ε-мартенсита неферромагнитны. В настоящей работе, где особое внимание уделено немагнитным сталям, обсуждаются и двухфазные (γ+ε) материалы, хотя формально они не являются аустенитными.

В марганцевых аустенитных сталях с М<20°С (и даже Μ^ε<-196°С) в результате деформации может появляться ε-мартенсит деформации [7]. Следовательно, М таких сталей выше 20° С. Превращение аустенита может проходить в этом случае по схеме: γ —деформационные двойники—ε—α [11, 12].

В данной монографии рассматриваются как стабильные, так и метастабильные стареющие никелевые и марганцевые аустенитные стали, в которых при охлаждении и деформации наблюдаются мартенситные γ   а- и γ — (ε, а)-превращения.