Мартенситно стареющая сталь применение

Обновлено: 23.01.2025

Следует отметить, что мартенситно-стареющие стали в состоянии высокой прочности по уровню ударной вязкости (KCU) мало отличаются от других высокопрочных конструкционных сталей. Однако температура порога хладноломкости у них гораздо ниже, а значение КСТ выше, чем у углеродосодержащих высокопрочных сталей (КСТ = 0,25. 0,30 вместо 0,06. 0,08 МДж/м 2 ).

В настоящее время мартенситно-стареющие стали находят все большее применение для изготовления деталей высокой ответственности в области вооружения, авиационной и космической техники и других отраслях промышленности, где требуется высокая надежность и малый вес используемых конструкций. Стали с повышенным содержанием углерода (до 0,03 %) Х11Н10М2Т, Х12Н8М2ТЮ, Х16К4М4Т2Ю, Х12Н4К15М4Тобладаютвысоким значением условного предела упругости и релаксационной стойкостью. Поэтому они находят применение для изготовления пружин специального назначения [15].

Термическая обработка мартенситно-стареющих сталей состоит из двух операций: закалки и последующего старения.

Так как стали в результате высокого легирования обладают большой устойчивостью аустенита, их охлаждение при закалке можно проводить в масле или на воздухе. Стали не чувствительны к перегреву. Температура нагрева определяется полнотой растворения интерметаллидов и гомогенизацией аустенита.

После закалки сталь обладает низкой твердостью и высокой пластичностью, поэтому ее можно обрабатывать резанием и подвергать пластической деформации.

Окончательные свойства стали приобретают после старения, которое проводят при температурах 470. 530 о С в зависимости от марки стали.

Изменяя в небольших пределах температуру закалки относительно рекомендуемых пределов, можно повысить или понизить прочность стали в состаренном состоянии. Повышение температуры приводит к увеличению прочности и снижению пластичности и вязкости при тех же режимах старения. Но больший эффект изменения комплекса свойств дает изменение режимов старения. Для примера на рис. 95 приведен график изменения условного предела текучести экономнолегированной стали 03Х11Н10М2Т, закаленной от температуры 950 °С и состаренной в широких интервалах температурного диапазона и времени старения.

Такие графики и их математические модели были получены для различных свойств в результате реализации центрального плана и обработки результатов эксперимента с помощью программы “STATISTICA”. Пример для изменения ударной вязкости в результате старения в широком интервале температур и времен старения показан на рис. 96. Статистическая обработка позволяет получать не только наглядную картину изменения свойств стали после термической обработки в различных температурно-временных условиях, но и получать математические модели, описывающие процесс упрочнения стали с доверительной вероятностью 0,98. Наличие математических моделей изменения различных свойств при термической обработке позволяет решать задачи выбора режимов термической обработки способных обеспечить комплекс свойств стали, определяющий долговечность изделия.

Мартенситно-стареющие стали приобретают необходимые свойства не на стадии закалки, а в процессе старения.

Эта особенность позволяет изготав-ливать из них детали высокой точности. Наибольшую деформа-цию заготовки приобретают в процессе охлаждения при закалке за счет термических напряже-ний и фазового перехода аустенита в мартенсит. Углеродистые стали (в том числе легированные) облада-ют в закаленном состоянии плохой обрабатываемостью и низкой пластичностью, что не позволяет их подвергать правке пос-редством деформации.

Мартенситно-старею-щие стали менее склонны к деформации при закалке, а в закаленном состоянии пластичны и легко подвергаются правке и механической обработке. В процессе же старения выделение упрочняющих фаз не приводят к объемным изменениям, что позволяет сохранять форму и размеры детали, приданные ей после закалки. Поэтому их можно использовать для изготовления прецизионных деталей.

Механические свойства мартенситно-стареющих сталей

Для мартенситно-стареющих сталей по сравнению с высокопрочными среднеуглеродистыми характерны следующие преимущества по технологическим свойствам: низкая критическая скорость закалки и возможность получения мартенсита при охлаждении на воздухе; отсутствие коробления и трещин при закалке; очень высокая прокаливаемость; высокая технологическая пластичность при холодной деформации; стабильность размеров при окончательной термообработке; хорошая свариваемость и возможность получения равной прочности в сварном шве и в основном металле.

Мартенситно - стареющие стали примерно в 5 раз дороже углеродистых высокопрочных, и поэтому их применение ограничено такими областями как оборонная промышленность, авиа- и ракетостроение. Высокая хладостойкость (низкий порог хладноломкости) позволяет применять МС - стали для изготовления деталей криогенных систем.

Другой группой мартенситостареющих сталей являются хромсодержащие стали системы Fe – Cr – Ni – Mo – Ti (Co), которые являются коррозионно-стойкими. Это стали Х11Н10М2Т (ЭП678), 08Х15Н5М2Т (ЭП410У), Х12Н2К16М4 (ЭИ124). Они стойки в промышленной, влажной и морской атмосферах. Однако имеют прочность выше 1600 МПа только на таких полуфабрикатах, которые дополнительно упрочнены при помощи холодной пластической деформации – проволоке, ленте. Коррозионно-стойкие мартенситно-стареющие стали имеют широкое применение в различных отраслях промышленности для изготовления таких деталей как крепёж, пружины, оболочки, силовые детали конструкций.

2.1.4. Стали для подшипников качения

Подшипниковые стали – особая группа конструкционных сталей для изготовления подшипников качения, которая по составу и свойствам близка к инструментальным сталям. Подшипниковые стали предназначены для изготовления как шариковых, так и роликовых подшипников и имеют специальную маркировку. Первой буква «Ш» в марке указывает на подшипниковую сталь, буквы Х, С, Г обозначают легирующие элементы хром, кремний и марганец соответственно. Цифры после буквы Х обозначают содержание хрома в сотых долях процента. Например, ШХ15 (1,5 % Cr), ШХ20СГ (2,0 % Cr). Для изготовления высокоскоростных подшипников обязательно используют электрошлаковый переплав (ЭШП) для повышения чистоты стали по неметаллическим включениям. В этом случае к марке сталей добавляют букву «Ш»; например, ШХ15-Ш. Стали ШХ15, ШХ15СГ, ШХ4, ШХ20, ШХ20СГ предназначены для подшипников общего назначения; химические составы сталей регламентируются ГОСТ 801 – 78. Требования к свойствам и структуре подшипниковых сталей зависят от конструкции подшипника (шариковый, роликовый), условий работы и размеров (табл. 2.21).

Роль легирующих элементов:

– высокое содержание углерода (0,90 – 1,10 %) необходимо для обеспечения твёрдости после закалки и низкого отпуска, для образования большого количества цементита;

– хром повышает твёрдость и, наряду с кремнием и марганцем, обеспечивает прокаливаемость.

Требования к подшипниковым сталям и пути обеспечения необходимых свойств

Требование к материалу	Требование к свойствам и структуре	Способ Обеспечения требуемых свойств
Высокая статическая грузоподъёмность (контактное напряжение до 2000 – 3000 МПа)	- высокая твердость -сквозная прокаливаемость	- использование заэвтектоидных сталей с высоким содержанием углерода (1 – 1,5 %); - легирование Cr, Mn, Si
Высокая контактная выносливость	- отсутствие неметаллических включений; - цементит сферической формы (для исключения скалывания); - поверхностная твердость	- высокое качество выплавки (ЭШП, ВДП) - сфероидизирующий отжиг - большое количество карбидов, до 15 – 18 %
Размерная стабильность	-отсутствие остаточного аустенита	обработка холодом

Прокаливаемость сталей увеличивается по мере повышения концентрации легирующих элементов. Так, сталь ШХ15предназначена для изготовления шариковых подшипников поперечным сечением 10..20 мм; более легированные стали ШХ15СГ, ШХ20СГ – для деталей диаметром свыше 30 мм.

Термообработка подшипниковых сталей является типичной для заэвтектоидных сталей и осуществляется в несколько этапов (табл.2.22.). После неполной закалки, обработки холодом и низкого отпуска стали имеют структуру низкоотпущенного мартенсита с частицами зернистого цементита и обладают высокой твердостью 61 – 65.

Для подшипников, работающих в особых условиях применяют специальные стали.

Железнодорожные роликовые подшипники испытывают динамические нагрузки. К ним нельзя применять сквозную закалку. Для этих деталей разработана сталь с пониженной прокаливаемостью – ШХ4. Детали из этой стали подвергают закалке ТВЧ, после которой получают твёрдый поверхностный слой, глубиной 2 – 3 мм и вязкую сердцевину.

Для крупногабаритных роликовых подшипников диаметром до 2 м применяют цементуемые низкоуглеродистые легированные стали (18ХГТ, 20ХНМА и др.). При этом твёрдость сердцевины составляет не менее 35 – 45 HRC, что предотвращает продавливания цементованного слоя при контактных нагрузках во время эксплуатации.

Мартенситно-стареющие стали

Мартенситно-стареющие стали (МСС) интересуют инженеров и технических работников благодаря хорошему сочетанию прочностных и технологических свойств. Разработаны стали, содержащие кроме железа и никеля Co, Mo, Ti, Al и Nb и Cr. Особенностью данных сталей является то, что они практически не содержат углерод (менее 0,03%), в связи с чем после закалки образуется «легкий» мартенсит.

Это стали на Fe–Ni основе, содержащие 7–20% Νi, дополнительно легированные Co, Mo, Ti, Al и Nb (если нужна коррозионная стойкость, то добавляют и Cr). Классическими считают стали, содержащие 18–25% Ni и с минимальным содержанием углерода. Марки наиболее используемых сталей приведены в таблице 2.4, а классификация МСС – на рисунке 2.1.

Таблица 2.4 - Механические свойства (средние) мартенситно-стареющих сталей

Сталь	Т_стар, ºС	σ_в, МПа	σ_0,2, МПа	Ψ, %	δ, %	HRC
Н18К9М5Т (ЭП637)	500	2 200	1 950	-	8	55
Н18К12М5Т2 (Э11809)	500	2 450	2 350	35	7	60
Н16К4М5Т2Ю (ЗИ89)	480	2 050	1 980	40	7,5	55
Н17К12М5Т (ЭП845)	500	2 050	2 000	45	8	54
Н18К14М5Т (ЭИ122)	480	2 400	-	35	9	57
Х12Н8К5МЗТ (ЗИ90)	480	1 700	1 600	55	10	48
Х12Н2К16М4 (ЭИ124)	600	1 600	1 550	55	12	46
08X15Н5Д2Т (ЭП410)	450	1 450	1 350	500	11	43
XI1Н10М2Т (ЭИ678)	500	1 550	1 480	50	8	46

Наиболее интенсивно упрочняют стали такие легирующие элементы, как Ti и Al. Однако суммарное количество этих элементов не должно превышать 1%.

Рисунок 2.1 - Классификация мартенситно-стареющих сталей

При старении мартенсит обедняется легирующими элементами из-за выделения вторичных интерметаллидных фаз типа NiTi, NiTi, NiMo, FeMo, Ni(TiAl).

Причем, наибольшее упрочнение сталь достигает на стадии предвыделения, когда интерметаллиды еще когерентно связаны с матричным твердым раствором и имеют малые размеры. При γ→α - превращении получается мартенсит с небольшой твердостью и невысокими прочностными свойствами. При отпуске углеродистых сталей происходит распад мартенсита с образованием ферритокарбидной смеси, что ведет к понижению прочности и твердости.

Мартенситно-стареющие стали применяют для изготовления деталей ответственного назначения, которым нужна высокая прочность и хорошая вязкость при низких и невысоких температурах. Эти стали используют в самолетостроении, ракетостроении, машиностроении, в криогенной технике.

Также эти стали можно использовать для изготовления пружин и упругих элементов, гибких гидравлических шлангов, подшипников и болтов, сосудов высокого давления, в часовой промышленности. Из этих сталей производят полуфабрикаты в виде поковок, сортового проката, листов, полос, лент, труб.

Подшипниковые стали

Подшипники являются ответственными деталями машин и механизмов. Они во многом определяют точность и производительность металлорежущих станков, надежность электродвигателей, качество автомобилей, тракторов, вагонов и т. д. Отечественная промышленность производит более 5 тысяч типоразмеров подшипников диаметром от 0,5 до 3,0 м.

Стали для подшипников по назначению составляют особую группу конструкционных сталей, но по составу и свойствам они близки к инструментальным сталям.

К особенностям характера работы подшипниковых сталей относятся высокие локальные нагрузки, и, как следствие этого, чрезвычайно высокие требования к чистоте стали по неметаллическим включениям, карбидной неоднородности и др. Основные требования, которые должны обеспечить подшипниковые стали.

1) Высокая статическая грузоподъемность – предельная нагрузка, при которой остаточные деформации в зоне контакта не превышают 0,01% от диаметра шарика или заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твердость.

2) Высокое сопротивление контактной усталости. Эта характеристика чрезвычайно сильно зависит от наличия металлургических дефектов различного рода, особенно сульфидных и оксидных включений, а также водорода, поскольку подшипниковые стали флокеночувствительны.

При производстве подшипниковых сталей применению рафинирующих переплавов уделяется особое внимание. Рафинирующие переплавы позволяют значительно снизить загрязненность стали неметаллическими включениями, что, естественно, удорожает сталь. Если принять за 100% содержание включений в стали ШХ15 открытой выплавки, то для стали, обработанной синтетическим шлаком (ШХ15Ш), оно составляет 45%, для той же стали вакуумно-дуговой выплавки (ШХ15ВД) - 35%, а для стали, обработанной шлаком и дополнительно переплавленной вакуумно-дуговым способом (ШХ15ШД) - 25%. При этом оставшиеся включения более равномерно распределяются в объеме слитка, уменьшается и средний размер включений.

Не менее вредным фактором, с точки зрения контактной усталости, является карбидная неоднородность (карбидная сетка, строчечные включения карбидов и т. п.). Способ устранения этого дефекта заключается в проведении оптимальной пластической и термической обработки.

Износостойкость, в том числе абразивная, достигается введением сталь ~1,0% С и 1,5% Сr. Влияние хрома на износостойкость определяется тем, что он увеличивает количество карбидной фазы и меняет качественно ее состав, позволяя получать твердые специальные карбиды.

Высокое сопротивление малым пластическим деформациям. Это требование наиболее актуально для подшипников точных приборов.

Размерная стабильность. В зависимости от размеров и класса точности подшипников изменения размеров при эксплуатации не должны превышать 10-4–10-5 мм/мм. Размерная стабильность зависит от содержания остаточного аустенита в стали. При увеличении количества остаточного аустенита размерная стабильность ухудшается, так как остаточный аустенит является нестабильной структурной составляющей и при высоких нагрузках может превращаться в мартенсит, что сопровождается объемными изменениями.

В таблице 2.5 приведены составы некоторых подшипниковых сталей

Таблица 2.5 - Состав и область применения подшипниковых сталей

Содержание основных элементов

Подшипниковые стали обычно классифицируются по условиям работы: различают стали общего применения, используемые для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов), работающих при температурах от - 60 -+300 °С в неагрессивных средах, и стали специального назначения, предназначенные для изготовления теплостойких и коррозионностойких подшипников. Составы сталей для подшипников общего назначения регламентируются ГОСТ 801–78, а подшипников специального назначения – соответствующими ТУ.

Пружинные стали

Пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов, пружинящих деталей приборов и механизмов, а так же рессор различного типа.

По способу изготовления пружинные стали делят на стали, упрочняемые путем пластической деформации и последующего стабилизирующего отпуска (старения), и стали, упрочняемые путем закалки на пересыщенный твердый раствор и последующего отпуска (старения).

Пружинные материалы наиболее часто используют в виде проволоки или ленты, из которых затем путем навивки, резки или вырубки изготовляют пружины и пружинящие детали необходимой конфигурации. При получении пружинной проволоки или ленты нередко применяют совмещенный способ упрочнения, включающий закалку на пересыщенный раствор и пластическую деформацию с последующим отпуском.

По назначению пружинные стали можно разделить на стали общего и специального назначения.

Стали общего назначения предназначены для изготовления изделий, обладающих высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкостью, при достаточной пластичности и вязкости, а для пружин, работающих при циклических нагрузках, и высоким сопротивлением усталости. Рабочая температура таких пружин обычно не превышает 100. 120 °С.

Требования к свойствам пружинных сталей определяются условиями работы пружин и механизмов, которые могут быть исключительно разнообразны. Наиболее общим требованием ко всем пружинным сталям является обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений).

Химический состав и свойства пружинных сталей общего назначения регламентируются в ГОСТ 14959-79 (таблица 2.6).

Таблица 2.6 - Химический состав и свойства пружинных сталей общего назначения

Содержание основных элементов,%

Пружинные стали общего назначения в виде проволоки или ленты можно упрочнять холодной пластической деформацией или закалкой на мартенсит с последующим отпуском.

Путем пластической деформации особенно широко обрабатывают углеродистые стали с 0,65 - 1,2% С. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Пружинные стали специального назначения кроме высоких значений предела упругости могут иметь еще высокую коррозионную Стойкость, теплостойкость (высокое сопротивление релаксации при Повышенных температурах), немагнитность и др. К таким сталям относятся высоколегированные мартенситные, мартенситно-стареющие и аустенитные стали

В качестве коррозионностойких пружинных сталей применяют мартенситные стали. Для получения высокой коррозионной стойкости стали легируют хромом в количестве более 12% стали типа 30X13 и 40X13 после закалки от температур 1000 - 1050 °С и отпуска. Режим отпуска зависит от назначения пружин. Для работы при комнатной температуре применяют отпуск при 300 - 350 °С, а в условиях повышенных температур при 500 - 550 °С. Повышенная прокаливаемость таких сталей позволяет использовать их для пружин больших сечений. Для повышения релаксационной стойкости коррозионностойкие стали мартенситного класса дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Так, сталь 12Х12Н2ВМФ имеет рабочую температуру 350 °С, что на 50 °С выше, чем у стали 30X13.

Высокопрочные стали

К высокопрочным относятся стали, временное сопротивление которых σ_B >1600 МПа (таблица 2.7). Стали с пределом текучести более 2000 МПа иногда называют сверхвысокопрочными.

Получение сталей высокой прочности неизбежно ведет к понижению характеристик пластичности и прежде всего сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому надежность стали в конструкции (изделии) может быть охарактеризована конструктивной прочностью - комплексом механических свойств, находящихся в корреляции с эксплуатационными условиями работы изделий.

Таблица 2.7 - Химический состав и свойства высокопрочных сталей

Марка стали

Страна

Содержание элементов (среднее),%

Высокопрочные стали должны иметь достаточные пластичность, сопротивление динамическим грузкам, ударную вязкость, усталостную прочность, а для ряда изделий и хорошую свариваемость.

При выплавке высокопрочных сталей применяют чистые шихтовые материалы, специальные методы выплавки, повышающие чистоту стали по неметаллическим включениям, газам и вредным Примесям, такие как электрошлаковый переплав, вакуумные способы плавки и др., которые повышают пластичность стали, но при этом и удорожают сталь.

Существуют разные способы получения высокопрочных сталей: закалка на мартенсит с низким отпуском (300-350 °С) и вторичное твердение в интервале температур 500-650 °С, а также ряд специальных технологических процессов, к которым можно отнести термомеханическую обработку, волочение сталей со структурой тонкопластинчатой феррито-карбидной смеси, получение сталей со структурой сверхмелкого зерна и некоторые другие. К высокопрочным сталям относятся пружинные, а также большинство мартенсито-стареющих сталей (главы XVII и XVIII). Важное значение имеет группа высокопрочных сталей со структурой метастабильного аустенита.

Прежде всего высокопрочные стали применяют в изделиях, для которых важно уменьшение массы при сохранении высокой прочности. Это могут быть высокопрочные болты и крепежные изделия, некоторые виды тросов и прядей, высокоскоростные роторы, валы и многие другие детали машин и механизмов. Высокопрочные стали используют в космической, ракетной, авиационной технике, а также в ряде отраслей приборостроения.

Рельсовые стали

Производство рельсов в нашей стране составляет около 3,5% от общего производства готового проката, а грузонапряженность железных дорог в 5 раз выше, чем в США, и в 8 - 12 раз выше, чем на дорогах других развитых капиталистических стран. Это налагает особо высокие требования к качеству рельсов и стали для их изготовления.

- по типам Р50, Р65, Р65К (для наружных нитей кривых участков пути), Р75;

- категориям качества: В – рельсы термоупрочненные высшего качества, T1, T2 – рельсы термоупрочненные, Н – рельсы нетермоупрочненные;

- наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах, без отверстий;

- способу выплавки стали: М – из мартеновской стали, К – из конвертерной стали, Э – из электростали;

- виду исходных заготовок: из слитков, из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ);

- способу противофлокенной обработки: из вакуумированной стали, прошедшие контролируемое охлаждение, прошедшие изотермическую выдержку.

Химический состав рельсовых сталей представлен в табл. 6. в марках стали буквы М, К и Э обозначают способ выплавки стали, цифры – среднюю массовую долю углерода, буквы Ф, С, X, Т – легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Области применения мартенситно – стареющих сталей

Мартенситно – стареющие стали обладают хорошим сочетанием высоких прочностных и пластических свойств, хорошей тепло- и хладостойкостью, достаточным сопротивлением хрупкому разрушению, размерной стабильностью при термической обработке.

Основными системами мартенситно – стареющих сталей являются: Fe – Ni, Fe – Ni – Co, Fe – Ni – Cr, Fe – Cr – Co, также дополнительно применяется легирование Mo, Co, Ti, Al и др. общей особенностью сплавов этого класса является то, сто они практически бузуглеродистые (С £ 0,03 %) и их матрица после закалки представляет собой a - твердый раствор, пересыщенный элементами замещения. При распаде a - твердого раствора при старении сплавов происходит выделение упрочняющих интерметаллидных фаз.

Структура мартенситно – стареющих сталей после закалки – массивный или реечный мартенсит, имеющий высокую плотность дефектов кристаллической решетки.

Классификация и принципы легирования

Мартенситно – стареющие стали делят на стали:

- общего назначения;

- стали специального назначения (нержавеющие стали).

Стали общего и специального назначения также имеют свои подгруппы классификации.

1. Стали общего назначения:

- умеренной прочности, экономнолегированные: s_в = 1000 – 2000 МПа; 0,04 – 0,10 % С, 4 – 12 % Ni, 1 – 3 % Mo, £ 1,5 % Al + Ti, 2 – 5% Cu.

- высокопрочные:

s_в = 2000 – 2500 МПа, 16 – 18% Ni, 8 – 10 % Co, 4 – 5 % Mo, 1 – 1,5 % Ti;

s_в = 2500 – 3500 МПа, 18% Ni, 13 – 15 % Co, 4 – 6 % Mo, 1 – 1,5 % Ti.

- сверхвысокопрочные: s_в ³ 3500, 10 – 13 % Ni, 15 – 18 % Co, 10 – 14 % Mo,

2. Коррозионностойкие.

- умеренной прочности экономнолегированные:

c высокой коррозионной стойкостью: 14 – 16 % Cr, 4 – 6 % Ni, 1,5 – 3,0 % Cu, £ 0,5 % Al + Ti.

c повышенной прочностью для слабоагрессивных сред: 11 – 13 % Cr, 7 – 9 % Ni, 1,5 – 3 % Mo, 1 - 2 % Al + Ti.

- высокопрочные: 11 – 14 % Cr, 5 – 9 % Ni, 5 – 8 % Co, 2 – 5 % Mo, £ 1,5 % Al + Ti.

- теплостойкие: 10 – 14 % Cr, 10 – 15 % Co, 5 – 7 % Mo.

Мартенситно – стареющие стали, являются высокопрочными и характеризуются высоким значением вязкости разрушения при одновременно высоком значении предела текучести. Вязкость разрушения мартенситно – стареющих сталей при одинаковом пределе текучести значительно превышает значения этого параметра для высокопрочных дисперсионнотвердеющих сталей.

Составы мартенситно – стареющих сталей регламентируются соответствующими техническими условиями ТУ.

В таблице 1 приведены химические составы и свойства некоторых мартенситно – стареющих сталей.

Марка стали

Содержание основных элементов, %

Основными легирующими элементами в мартенситно – стареющих сталях являются: никель, кобальт, кобальт молибден.

При легировании железоникелевого мартенсита существенно изменяются температуры прямого – М_н (g a) и обратного – А_н (a g) превращения.

Мартенситно - стареющие стали общего назначения содержат 8 – 20 % Ni. При добавлении к железу 4 – 8 % Ni происходит снижение температуры g a - превращения, и после закалки образуется мартенсит замещения. Введение 8 – 12 % Ni с одновременным легированием титаном, алюминием, молибденом и др. элементами приводит к развитию старения благодаря уменьшению растворимости легирующих элементов в мартенсите; с повышением содержания никеля до 12 – 20 % увеличивается сопротивление хрупкому разрушению.

Легирующие элементы по эффекту упрочняющего влияния располагаются в следующем порядке: титан, бериллий, алюминий, вольфрам, молибден, медь. При этом изменение прочностных свойств при увеличении содержания легирующего элемента, как правило, не монотонно. При комплексном легировании аддитивного упрочнения не наблюдается: общая величина прироста прочности после старения, как правило, меньше, чем при раздельном легировании.

Также существует отдельная группа экономнолегированных сталей, не содержащих кобальт и имеющих в составе пониженное количество никеля и молибдена при повышенном содержании углерода.

Титан и алюминий относятся к наиболее эффективным упрочнителям мартенситно – стареющих сталей. Растворимость их в a - фазе мала, и в присутствии никеля при нагреве происходит выделение дисперсных фаз Ni₃Ti, NiAl и т.п. однако титан и алюминий резко понижают пластичность, вязкость и сопротивление хрупкому разрушению, поэтому суммарное количество титана и алюминия обычно не превышает 1 %. Понижение пластичности мартенситно – стареющих сталей при увеличении содержания титана связано с образованием при охлаждении в интервале температур 1000 – 800 о С карбонитрида Ti(C, N) по границам аустенитных зерен.

В отличие от титана и алюминия молибден не оказывает столь сильного охрупчивающего воздействия и поэтому он присутствует в составе практически всех мартенситно – стареющих сталей. При содержании свыше 3 % Mo старение приводит к образованию частиц фаз Ni₃Mo, (Fe, Ni)₂Mo, (Fe, Co)₂Mо за счет которых обеспечивается благоприятный комплекс механических свойств.

В экономнолегированных мартенитно – стареющих сталях с повышением содержания углерода до 0,1 % в качестве упрочняющей фазы могут присутствовать карбиды легирующих элементов.

К Цупакава и Н Уэхара предложили обобщенные эмпирические зависимости для определения влияния легирующих элементов на механические свойства высокопрочных мартенситно – стареющих сталей типа Н18К8М5Т:

s_в = 11+42,4 % Ni + 158,5 % Mo + 37,7 % Co + 322,4 % Ti.

d = 44,12 – 0,46 % Ni – 2,42 % Mo – 0,60 % Co – 5,20 % Ti.

Подобные зависимости позволяют качественно оценить влияние легирующих элементов на формирование комплекса свойств стали.

Суммарное упрочнение мартенситно – стареющих сталей складывается из упрочнения твердого раствора путем легирования, упрочнения при пластической деформации (если таковая реализуется) и старения.

Одним из главных преимуществ мартенситно – стареющих сталей перед другими высокопрочными материалами является высокие сопротивление хрупкому разрушению и сопротивление развитию трещины.

Термическая обработка

Важным достоинством мартенситно – стареющих сталей является их высокая технологичность. По ряду технологических свойств мартенситно – стареющие стали превосходят стали других классов соответствующего уровня прочности. Для них характерны: высокая технологическая пластичность, отсутствие трещинообразования при охлаждении, возможность сведения упрочняющей обработки к операциям закалки и старения, малая изменяемость геометрических размеров в процессе окончательной термической обработки – старения, хорошая свариваемость и возможность получения равнопрочности сварного шва и основного изделия при проведении последующего старения.

Вместе с тем мартенситно – стареющие стали имеют и ряд недостатков: склонность к ликвационной неоднородности, особенно по титану, «тепловая хрупкость» (выделение по границам зерна карбонитридных или интерметаллидных фаз), сравнительно высокие значения пределов текучести в закаленном состоянии.

Устранение этих недостатков может быть достигнуто рациональным легированием, пластической и термической обработкой.

Предварительная обработка мартенситно – стареющих сталей должна уменьшить ликвацию и выделение частиц второй фазы. Это достигается гомогенизацией при 1200 – 1260 о С (для сплавов, не содержащих меди).

Операцией термической обработки, обеспечивающей реализацию IIэтапа упрочнения, является закалка. Качество закалки определяется наличием или отсутствием заметных количеств остаточного аустенита; степенью пересыщения твердого раствора легирующими элементами, отчего зависит эффективность последующего старения; дисперсностью структуры, т.е. полнотой процессов фазовой и структурной перекристаллизации; наличием или отсутствием в закаленном мартенсите охрупчивающих фаз и d - феррита.

Первое условие реализуется легированием с учетом влияния элементов на положение точки М_к. Кроме того, уменьшить количество остаточного аустенита можно дестабилизацией g - фазы путем переохлаждения стали от 1100 – 1200 о С и выдержке в интервале 650 – 800 о С с последующим быстрым охлаждением. При выдержке в области 650 – 800 о С в аустените выделяются интерметаллидные фазы, что приводит к обеднению аустенита легирующими элементами, и соответственно, к повышению точки М_к.

Для реализации второго условия используется повышение температуры и увеличение времени выдержки при закалке, что способствует равномерному распределению легирующих элементов и, за счет этого, увеличивает эффект упрочнения при старении. Для достижения максимального прироста прочности обычно рекомендуемая температура закалки на 100 – 200 о С выше температуры А₃.

С понижением температуры аустенитизации повышаются прочностные свойства мартенситно – стареющей стали после старения, особенно если после закалки следует холодная пластическая деформация.

Вышеперечисленные условия выдвигаются, если после закалки следует упрочняющая обработка – старение. Если закалку проводят в качестве смягчающей обработки перед последующей пластической деформацией, то эффективным оказывается применение закалки из двухфазной a + g - области с целью получения в структуре стабилизированного аустенита, повышающего пластичность и ударную вязкость.

Большое внимание уделяется методам борьбы с «тепловым» охрупчиванием, причина которого заключается в появлении по границам аустенитного зерна при выдержке в аустенитной области или замедленном охлаждении выделений карбонитридов Ti(C,N), Mo(C,N), интерметаллидов Fe₂Mo, сульфидов типа TiS₂, нитридов, c - фазы или других фаз в зависимости от состава стали и температурно – временных параметров обработки. Основные пути устранения зернограничного теплового охрупчивания: применение многократных закалок, с нагревом до высоких температур, ускоренного охлаждения.

Области применения мартенситно – стареющих сталей

Мартеситно – стареющие стали обладают высокой хладостойкостью, что позволяет применять мартенситно – стареющие стали для изготовления криогенных систем, деталей авиационной техники, гидрокрыльев и т.д. Хорошее сопротивление хрупкому разрушению и весьма высокая прочность сварных конструкций в сочетании с коррозионной стойкостью позволяет использовать мартенситно - стареющие стали, особенно коррозионностойкие для производства корпусов батискафов, химических сосудов, аппаратов и т.д.

Также мартенситно – стареющие стали могут использоваться в качестве пружинного материала.

Мартенситно – стареющие стали обладают высокой размерной стабильностью при термической обработке, т.е. практически не испытывают коробления. Поэтому из них можно изготавливать особо сложные и точные детали (например, элементы пресс – форм для литья).

Совершенствование мартенситно – стареющих сталей ведется в трех направлениях:

1 Оптимизация легирования.

2 Применение перспективных систем термической и термомеханической обработки.

3 Использование мартенситно – стареющих сталей совместно с другими материалами.

Отдельную группу составляют сверхвысокопрочные мартенситно - стареющие стали, отличительной особенностью которых является легирование 15 – 20 % Co, 6 – 15 % Mo, 8 – 25 % Ni. Это позволяет получать изделия со значением временного сопротивления около 3500 МПа.

Холодная пластическая деформация таких сталей в сочетании с последующим старением увеличивает значение предела прочности до 4000 МПа. Следует отметить, что такая высокая прочность сочетается с пониженными пластическими свойствами y = 3 - 20 %.

Повысить пластичность и вязкость мартенситно – стареющих сталей разных систем легирования возможно:

1 Путем качественной выплавки: использование двойных вакуумно – дуговых и вакуумно – индукционных переплавов и т.п.

2 Микролегированием редкоземельными металлами и кальцием, поскольку при этом снижается эффект зернограничного охрупчивания.

Совершенствование термической обработки ведется в направлении использования ступенчатой и многократной закалок, а также двойного старения (например, по режиму 560 о С, 1 час + 400 о С, 2 часа), цель которого добиться наиболее полного проявления упрочняющего эффекта.

Также может быть проведена термомеханическая обработка, сочетающая в себе деформацию стали в аустенитной области при температуре несколько выше точки М_н с целью получения мартенсита деформации и последующего старения.

Также мартенситно – стареющие стали нашли широкое применение в области композиционных материалов. В частности распространен композит алюминиевый сплав (матрица) – мартенситно – стареющая сталь (арматура).

Помимо этого мартенситно – стареющие стали используются в порошковой металлургии.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.016)

Термическая обработка мартенситно-стареющей стали. Марки и химический состав сталей ПП и РП Тип Марка Содержание элементов, % С Si Mn Cr Не более

Сталь ШХ4 применяется для изготовления подшипников качения крупных серий, например, для подшипников железнодорожного транспорта.

Нагрев при закалке этих сталей в печах или их охлаждение в обычных закалочных устройствах дает отрицательный результат.

Л 11. Мартенситно-стареющие стали. – 2 ч.

Как было показано выше, использование традиционных методов создания высокопрочного состояния стали посредством легирования железа углеродом и последующей закалкой на мартенсит, нельзя добиться одновременно высокой прочности и высокой вязкости стали. Это связано с морфологией углеродистого мартенсита. Поэтому были предприняты попытки по использованию других механизмов упрочнения сплавов на основе железа, которые привели к созданию безуглеродистых сталей, где углерод является нежелательной примесью.

Анализируя можно прийти к выводу, что значительное упрочнение с минимальной потерей вязкости можно получить, используя механизмы зернограничного и дисперсионного упрочнения. Для этого необходимо в стали получить сверхмелкое зерно и упрочнить твердый раствор дисперсными интерметаллидами.

Из всех фаз, существующих в стали, самым мелким зерном обладает мартенсит. Поэтому можно использовать мартенситное превращение для получения мелкозернистой структуры. Мартенситное превращение протекает в безуглеродистых сплавах железа с никелем (¢–фаза с ОЦК решеткой) и сплавах железа с марганцем (,¢и″– фазы с ГПУ решеткой).

Легирование железа марганцем интенсивно стабилизирует аустенит и в закаленном Fe–Mn-сплаве после закалки остаются крупные зерна аустенита.

Никель в меньшей мере стабилизирует аустенит и в пределах концентраций никеля в железе 8. 24 % образуется структура реечного мартенсита без остаточного аустенита. Пакеты реечного мартенсита имеют ячеистую дислокационную структуру и поэтому он обладает достаточно высокой вязкостью. Но прочность его невысока.

Вторым легирующим элементом должен быть элемент, имеющий ограниченную растворимость в железоникелевой матрице. Таковым является молибден, предельная растворимость которого при температуре ¢– перехода составляет ~ 6 %, а при комнатной температуре около 3 %. Молибден за пределами растворимости образует с железом интерметаллидную фазу Fe₂Mo, а с никелем – Ni₃Mo.

Кроме молибдена, ограниченную растворимость в Fe–Ni-матрице имеют Ti, Be, Al, W, Cu и некоторые другие элементы.

Положительно влияет комплексное легирование при совместных добавках молибдена и кобальта – в этом случае интенсивность упрочнения при старении существенно возрастает. Такое влияние кобальта связывают с уменьшением растворимости молибдена в a-железе (10 % Со уменьшает растворимость молибдена на1,5 %), а также с протеканием процесса упорядочения в системе Fе–Со с образованием областей ближнего порядка. Кроме того, кобальт увеличивает теплостойкость матрицы. Поэтому присутствие кобальта в составе мартенситно-стареющих сталей желательно. Однако высокая стоимость кобальта привела к созданию группы экономно легированных сталей, не содержащих Со, а также имеющих в составе пониженную концентрацию никеля и молибдена и повышенное содержание углерода.

Введение в сталь хрома снижает вязкость, но делает сталь коррозионностойкой и теплостойкой. Такие стали нашли применение при изготовлении штампов для горячей штамповки.

В табл. 19 показаны типовые фазы, выделяющиеся при старении в сталях с различным легированием.

Качественно можно оценить свойства мартенситно-стареющей стали по уравнениям Цупакава и Уэхара:

= 11+ 42,4 %Ni + 158,5 %Mo + 37,7 %Co + 322,4 %Ti, МПа и

= 44,12 – 0,46 %Ni – 2,42 %Mo – 0,6 %Co – 5,2 %Ti, %.

Важным преимуществом мартенситно-стареющих сталей перед другими высокопрочными материалами является необычно высокое сопротивление хрупкому разрушению. Так, если значение К_1с для улучшенной конструкционной стали мартенситного класса типа 40ХН2МА равно ~16 МПа×м 1/2 , то для стали Н18К9М5Т при том же уровне предела текучести оно равно 32. 40 МПа×м 1/2 .

Читайте также: