Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситног
..pdfтур, определяющих уровень характеристик механических свойств. Для низкоуглеродистых мартенситных сталей основным видом упрочняющей термической обработки является закалочное охлаждение на спокойном воздухе. В центральных частях изделий большого сечения ско рость охлаждения мала и условия охлаждения прибли жаются к изотермическим.
В НМС, содержащих углерод на верхнем пределе («0,13 %), относительно ранее применяемых НМС с со держанием углерода до 0,10 %, можно полагать, что воз никнет опасность образования некоторого количества верхнего бейнита, приводящего к повышению критиче ской температуры хрупкого разрушения. Комплексные исследования в изотермических условиях позволяют оп ределить температурно-временные параметры областей реализации у—кх-превращений и их механизмы, сопоста вить с ними получаемую структуру и характеристики механических свойств, что позволит более полно объяс нить результаты, полученные после непрерывного охла ждения.
Кинетику процесса превращения переохлажденного аустенита низкоуглеродистых мартенситных сталей 07ХЗГНМ, 08Х2Г2ФБ, 12Х2Г2НМФТ и для сравнения стали бейнитного класса 15Х2ГМФ исследовали с по мощью модернизированного анизометра системы Акуло ва, позволяющего выявлять 0,5-1,0% количества а-фазы. Исходно закаленные образцы аустенитизировали при температуре 930 °С в течение 8 мин и быстро охлаждали до температур изотермических выдержек в интервале 710-270 °С, длительность изотермических выдержек со ставляла 3 ч. По окончании выдержки образцы охлажда ли в воде.
При магнитометрических исследованиях превраще ния переохлажденного аустенита установлено, что кине тика процесса превращения существенно зависит от хи мического состава стали (рис. 2.1, а-г). На кинетических кривых можно выявить три стадии: медленное начало
а
б
Рис. 2.1. Кинетические кривые превращения переохлажденно го аустенита, аустенитизация 930 °С, 8 мин: а - 07ХЗГНМ; б - 08Х2Г2ФБ; в - 12Х2Г2НМФТ; г - 15Х2ГМФ
Степень превращения, % |
Степень превращения, % _ |
|
Ю 4^ O N 00 О |
||
Ю 4^ ON ОО О |
||
Э О О О О О |
||
О О О О О О |
|
Окончание .1.2 .Рис
<\>
О
процесса, ускорение в средней части и медленное завер шение. Время и скорость развития процесса в пределах каждого участка зависят от температуры изотермической выдержки, а характер их изменения определяет химиче ский состав сталей.
В низкоуглеродистых мартенситных сталях 07X3ГНМ, 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ мартенситное у—>а-превращение развивается уже при температурах ниже 510 °С, 470 °С и 415 °С соответственно. С пониже нием температуры изотермической выдержки уменьша ется длительность первой стадии (медленного начала), плавно нарастает общая скорость процесса, а также уве личивается количество a -фазы. Так, для стали 07ХЗГНМ первая стадия «исчезает», то есть интенсивное образова ние низкоуглеродистого мартенсита происходит сразу после помещения образца в изотермическую ванну при температурах ниже 380 °С, максимальное количество (~ 95 %) изотермической a -фазы образуется при темпе ратурах ниже 380 °С за 30 с; для стали 08Х2Г2ФБ первая стадия «исчезает» при температурах 2 360 °С, при этом максимальное количество изотермической a -фазы об разуется при температуре 380 °С за 60 с; для стали 12Х2Г2НМФТ, соответственно, мгновенное образование a -фазы начинается при температурах ниже 290 °С, мак симальное количество изотермической а-фазы - при температурах < 380 °С менее чем за 200 с.
Для сталей 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ при темпе ратурах выше 470 °С и 415 °С соответственно переохла жденный аустенит обладает высокой устойчивостью и у—нх превращение не наблюдается в течение 3 ч. В ста ли 07ХЗГНМ «нормальное» у—>а превращение реали зуется при температурах 610-700 °С после выдержки бо лее 15 мин.
В стали бейнитного класса 15Х2ГМФ у—мх превра щение развивается при температурах 700-650 °С и ниже 515 °С, при которых изменение кинетики имеет более
сложный характер. В интервале температур 515-400 °С на кинетических кривых выявляются три стадии процес са превращения: медленное начало, ускорение в средней части, медленное завершение процесса. С понижением температуры изотермической выдержки в интервале 400-330 °С кинетика превращения переохлажденного аустенита претерпевает резкие изменения: первая стадия (медленное начало) «исчезает» - за первые секунды об разуется более 10 % изотермической a -фазы; скачком возрастает скорость на второй стадии (на кинетических кривых увеличивается угол наклона линейного участка); замедляется скорость на третьем участке. С понижением температуры изотермической выдержки ниже 330 °С (в интервале 330-270 °С) скорость на всех этапах кине тических кривых возрастает.
По результатам исследования кинетики построены диаграммы изотермического превращения переохлаж денного аустенита (рис. 2.2, а-г). Анализ изотермиче ских диаграмм показывает, что в стали 12Х2Г2НМФТ так же, как и для других низкоуглеродистых мартенсит ных сталей (за исключением стали 07ХЗГНМ), выявляет ся только одна температурная область превращения пе реохлажденного аустенита. Ниже определенной для каж дой стали температуры превращение развивается при постоянной температуре во времени, то есть имеет изо термический характер. Выше этой температуры в сталях 12Х2Г2НМФТ и 08Х2Г2ФБ переохлажденный аустенит имеет значительную устойчивость и превращение не на блюдается по истечении трех часов.
В стали 07ХЗГНМ, кроме мартенситного превраще ния при температурах 700-650 °С, наблюдается область «нормального» превращения. Минимальная устойчи вость переохлажденного аустенита в этой области со ставляет ~ 240 с.
Диаграмма изотермического превращения стали бейнитного класса 15Х2ГМФ имеет более сложное строение (см. рис. 2.2, г). Кроме области «нормального»
т,°с
650
550
450
350
250
1 |
ю |
юо |
юоо Время, С |
а
б
Рис. 2.2. Диаграммы изотермического превращения переохла жденного аустенита сталей. Аустенитизация 930 °С, 8 мин: а - 07X3ГНМ; б - 08Х2Г2ФБ; в - 12Х2Г2НМФТ; г-15Х2ГМФ
в
Рис. 2.2. Окончание
(700-650 °С) и мартенситного (ниже 400 °С) превраще ний в интервале температур 520-400 °С выявляется об ласть промежуточного превращения, с инкубационным периодом в области минимальной устойчивости переох лажденного аустенита ~ 5 с. При этом область «проме жуточного» (бейнитного) превращения частично пере крывается мартенситной. Из диаграммы изотермическо го превращения аустенита стали 15Х2ГМФ видно что, в интервале 430-330 °С при образовании более 80 % a -фазы с понижением температуры изотермической вы держки происходит торможение у—их превращения. Из вестно [15], что торможение превращения с понижением температуры характерно для термически активируемых процессов, в данном случае для бейнитного превраще ния. Следовательно, в стали 15Х2ГМФ бейнитное пре вращение также развивается ниже температуры М„, то есть в интервале температур М„ - 330 °С в изотермиче ских условиях у—их превращение начинается по мартен ситному механизму (~ 80 % изотермического превраще ния), а заканчивается бейнитной реакцией.
Для низкоуглеродистых мартенситных сталей (см. рис. 2.2) температурную область реализации мартен ситного превращения условно можно разбить на два ин тервала, разделенных температурой, при которой линия начала сдвигового у—их превращения пересекает темпе ратурную ось (на всех изотермических диаграммах ука зано условное начало, равное времени 3 % у— х превра щения). Ниже данной температуры превращение начина ется сразу, без инкубационного периода, с большой скоростью, то есть имеет атермическую кинетику, харак терную для превращения аустенита при непрерывном охлаждении с большими скоростями [16].
В связи с этим температуру, при которой пропадает инкубационный период и мгновенно образуется более 50 % мартенсита, классифицируют как температуру на чала атермического мартенситного превращения и обо
значают- М™рм [16].
Выше этой температуры превращение начинает развиваться после так называемого инкубационного пе риода, с относительно небольшой скоростью, при этом кинетика процесса растянута во времени и имеет трех стадийный характер (медленное начало, ускорение в средней части и медленное завершение). При этом у—►а превращение в данной области имеет все черты мар
тенситного превращения, наблюдаемого ниже М“терм.
В изотермических условиях превращение развивается не до конца, его начальная скорость и полнота процесса увеличиваются с понижением температуры изотермиче ской выдержки. Эти кинетические признаки удовлетво ряют превращению, классифицированному как «мартен ситное превращение с быстрой изотермической кинети кой», а температуру начала превращения обозначают как
М “зот [16].
Необходимо отметить, что видимое на изотермиче ских диаграммах в мартенситной (для низкоуглероди стых мартенситных сталей 07ХЗГНМ, 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ) области, отсутствие у—>а превращение в начальный момент времени не связано с истинным ин кубационным периодом, во время которого происходит формирование и образование зародыша новой фазы [17]. Детальное исследование кинетики изотермического пре вращения переохлажденного аустенита показало, что в этих температурных интервалах во время «инкубаци онного периода» также развивается у—»а превращение с малой скоростью. На основании этих исследований бы ли построены уточненные изотермические диаграммы превращения переохлажденного аустенита (рис. 2.3, а-г).
Развитие изотермического мартенситного превраще ния выше температуры М*терм не является какой-либо аномалией. Показано [18-20], что развитие изотермиче ского мартенситного превращения выше MjJrepM в той или иной степени характерно для большинства конст рукционных легированных сталей. Для объяснения
Время, с
а
Рис. 2.3. Изотермические диаграммы превращения переох лажденного аустенита, аустенитизация 930 °С, 8 мин: а - 07ХЗГНМ; б - 08Х2Г2ФБ; в - 12Х2Г2НМФТ; г - 15Х2ГМФ