книги / Новые конструкционные материалы низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали
..pdfдо 410 мин). При непрерывном охлаждении на воздухе до 300 °С стали 40ХНМА доля бейнита после такой предварительной деформации умень шалась в 4 раза. По-видимому, этот факт связан с образованием полиго нальной субструктуры аустенита [13, 14].
Исследование низкоуглеродистой стали 13Х2ГЗ также подтвердило наличие эффекта торможения бейнитного превращения. Диаграмма изо термического превращения аустенита этой стали приведена на рис. 3.2. Образцы стали подвергали аустенитизации при 900 °С в течение 5 мин и
деформации (е= 10...20 %), пе |
|
|||||
реносили в ванну с температу |
|
|||||
рой 700 °С и охлаждали с раз |
|
|||||
личной скоростью. |
|
|||||
|
Из рис. 3.3, на котором |
|
||||
приведены |
|
магнитометриче |
|
|||
ские кривые охлаждения, вид |
|
|||||
но, что деформация приводит к |
|
|||||
торможению |
бейнитного пре |
|
||||
вращения. |
|
|
|
|
||
|
Приведенные |
эксперимен |
|
|||
тальные данные позволяют за |
|
|||||
ключить, |
что |
высокотемпера |
|
|||
турная деформация (800-900 |
Рис. 3.3. Влияние деформации при 900 °С |
|||||
°С) |
может |
быть |
использована |
на кинетику бейнитного превращения ау |
||
стенита стали 13Х2ГЗ при непрерывном |
||||||
для |
повышения |
устойчивости |
||||
охлаждении со скоростью 10°С/мин: 1 - без |
||||||
аустенита |
в |
промежуточной |
деформации; 2 - деформация 10 %; 3 - де |
|||
области превращений низкоуг |
формация 20 % |
|||||
|
леродистых сталей, у которых высокая устойчивость аустенита в области «нормального» превращения достигается соответствующим легированием.
Уменьшение доли образующегося бейнита приводит к улучшению комплекса механических свойств низкоуглеродистой стали после отпуска, особенно к понижению критической температуры хрупкости. Оптималь ные условия деформации и охлаждения, приводящие к такому эффекту, должны разрабатываться для конкретной стали, если есть опасность появ ления бейнита при упрочняющей обработке.
3.3. Влияние содержания углерода и условий деформации на механические свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей
Содержание углерода. Углерод сильнее других легирующих элемен тов влияет на прочность конструкционных сталей. С увеличением его со держания характеристики прочности и пластичности изменяются после за калки и отпуска, как правило, в различных направлениях. Соотношение
41
О |
0,05 |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
|
Содержание углерода, % |
|
Рис. 3.4. Зависимость механических свойств стали Х7Г2 от со держания углерода (закалка с 900 °С на воздухе: • - без отпуска; ■ - отпуск при 200 °С в течение 2 ч; А - отпуск при 400 °С
в течение 2 ч)
Таким образом, отпущенный мартенсит хромомарганцовистой стали обладает благоприятным сочетанием прочности и пластичности при со держании углерода около 0,08 %.
0 |
15 |
30 |
45 |
ё,%
Рис. 3.5 Влияние холодной деформации на изменение меха нических свойств стали 07Х6Г2 (закалка 900 °С, отпуск при 350 °С в течение 2 ч, х - исходное до деформации состояние)
леродистых мартенситных сталей, поскольку сравнение правомочно при одинаковой прочности. Деформация стали ЗОХГСА со степенью 50 % при водит к повышению а в, сго,2, ао,02 с 1310, 1230 и 1120 МПа до 1630, 1570 и 1360 МПа соответственно (см. рис. 3.6). Однако пластичность стали при деформации существенно понижается.
Таким образом, упрочнение низкоуглеродистых мартенситных ста лей, обладающих высокой пластичностью в исходном состоянии, при хо лодной деформации сопровождается незначительным понижением пла стичности, в то время как сталь ЗОХГСА в исходном состоянии при той же прочности 1100-1200 МПа обладает более низкой пластичностью, которая значительно уменьшается при холодной деформации.
Рис. 3.6. Зависимость механических свойств стали ЗОХГСА от степени холодной деформации (исходное состояние: закалка с 900 °С в масле, отпуск при 520 °С в течение 1 ч, охлаждение в воде)
Высокую прочность низкоуглеродистых сталей можно понизить, а пластичность повысить до исходного уровня отпуском сталей при темпе ратуре 450-500 °С.
Таким образом, холоднодеформированные термоупрочненные детали и сваренные конструкции для обеспечения исходных характеристик меха нических свойств целесообразно отпускать при температурах около 450500 °С.
Релаксация внутренних напряжений. Мартенситное превращение, протекающее сдвиговым путем, неизбежно связано с возникновением тех или иных внутренних напряжений [4]. Если их релаксация в ходе и сразу же после превращения протекает недостаточно полно, то эти напряжения могут привести к изменению размеров деталей, снижению ударной вязко сти, повышению критической температуры хрупкости [5] или даже к обра зованию закалочных или холодных сварочных трещин. Внутренние на пряжения определяются также величиной и неоднородностью холодной деформации. Релаксация напряжений происходит в результате микропластической деформации.
Поэтому все факторы, затрудняющие движение дислокаций, затруд няют и релаксацию внутренних напряжений. К таким факторам относится закрепление дислокаций атмосферами атомов углерода или карбидными выделениями. Так, установлено [6], что практически полное закрепление дислокации в мартенсите достигается при содержании углерода около 0,2 вес. %.
В связи с низким содержанием углерода (менее 0,11 %) изучена склонность к релаксации низкоуглеродистых мартенситных сталей.
Исследование показало, что нагрев до 400-500 °С мартенсита сталей приводит к заметному повышению значений сопротивления малым пла стическим деформациям (ао,02 на 200-250 МПа и (То,2 на 60-120 МПа), временное сопротивление разрушению и остальные характеристики прак тически не изменяются.
С целью выяснения процессов, протекающих при нагреве низкоугле родистого мартенсита, измеряли величину релаксационного эффекта. При релаксационных испытаниях большим локальным «пиковым» напряжени ям соответствует более высокая степень микропластической деформации, т.е. большее падение напряжений в ходе релаксационных испытаний. Ве личина релаксационного эффекта Да определяется разностью исходного напряжения (То при времени испытания (релаксации) т = 0 и конечного на пряжения при г= оо после остановки деформации в упругой области. Ис следования [16] показали, что нагрев закаленных образцов стали 03Х6Н2МБ уменьшает величину релаксационного эффекта (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Зависимость величины ре лаксационного эффекта стали 03Х6Н2МБ после закалки с 900 °С л (кр. I) и закалки с отпуском при § 500 °С 1 ч (кр. 2) от исходного g напряжения при испытании в < области упругой деформации (е =
= 2,66-10 '3 с '1;/исп = 20 °С)
сто, МПа
Уменьшение релаксации локальных напряжений в ходе нагружения должно вызывать увеличение эффективного модуля упругости при опре деленных скоростях деформирования. Измерения значений модуля упру
гости показали, что нагрев приводит к повышению сопротивления малым пластическим деформациям и уменьшению дефекта модуля (рис. 3.8) [17].
Рис.3.8. Зависимость эффек тивного модуля упругости (•), дефекта модуля (А) и
^0,02 (о) мартенсита от температуры нагрева (вы держка 1 ч) стали 03Х6Н2МБ
(е = 2,66 .Ю-3 с"1, /ис„ = 20 °С)
Температура, °С
Наблюдалось также уменьшение внутреннего трения после нагрева мартенсита до температуры примерно 500 °С. Внутреннее трение измеряли на установке «Эластомат» при частоте « 250 Гц (рис. 3.9).Из совокупности этих данных следует, что нагрев до температуры 450-500 °С уменьшает локальные пиковые напряжения и вследствие этого повышает сопротивле
ние малым пластическим деформациям (<Го,02 и ао,2)- |
|
|
|
|||
|
|
Влияние |
малых |
пластиче |
||
|
ских деформаций (до 10 %) на |
|||||
|
ширину |
интерференционных |
||||
|
линий мартенсита и |
механиче |
||||
|
ские |
свойства |
низкоуглероди |
|||
|
стой |
безникелевой |
мартенсит |
|||
|
ной |
стали |
08Х6Г2Б |
показано |
||
|
на |
рис. 3.10. Отпуск до 450- |
||||
|
500 °С практически не меняет |
|||||
|
ширину |
интерференционной |
||||
|
линии (220) закаленного мар |
|||||
Температура, °С |
тенсита. Эти данные, в совокуп |
|||||
|
ности с ранее полученными [18] |
|||||
Рис. 3.9. Зависимость внутреннего трения |
о неизменности временного со |
|||||
мартенсита от температуры нагрева |
противления, твердости и струк |
|||||
(выдержка 1 ч) сталей 03Х6Н2МБ (кр. 1) и |
туры мартенсита при отпуске до |
|||||
03Х5Н2МД2Б (кр. 2), /исп = 20 °С |
||||||
450-500 °С, |
свидетельствуют о |
практическом отсутствии процессов распада мартенсита низкоуглероди стых мартенситных сталей при нагреве до этих температур и незначитель ном изменении среднего уровня микронапряжений и дислокационной структуры. В то же время нагрев до этих температур приводит к релакса ции микронапряжений.
Холодная |
деформа |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ция на 2-8 % закаленного |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
мартенсита |
|
ведет |
к |
|
|
|
|
|
|
|
|||
уменьшению ширины ин |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
терференционной |
линии |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
(220) |
с 49 |
до |
42-43 |
(см. |
|
|
|
|
|
|
|
||
рис. |
3.10). |
Уменьшение |
|
|
|
|
|
|
|
||||
ширины линии |
связано с |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
понижением уровня |
мик |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ронапряжений |
при |
ис |
0 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
||||
ключении процессов |
рас |
||||||||||||
|
|
|
|
Температура, °С |
|||||||||
пада |
мартенсита. |
После |
|
|
|
|
|||||||
Рис. 3.10. Зависимость ширины интерференционной |
|||||||||||||
дующий нагрев |
до |
450- |
|||||||||||
линии (220) мартенсита от температуры отпуска и |
|||||||||||||
500 °С не приводит к из |
исходного состояния стали 08Х6Г2Б: 1 - закалка с |
||||||||||||
менению ширины линии. |
920 °С в воде; 2 - |
закалка с 920 °С на воздухе; 3 - |
|||||||||||
Деформация 2-8 % |
закалка с 920 °С на воздухе; холодная деформация 3 % |
||||||||||||
не меняет |
значение |
вре |
|
|
|
|
|
|
|
менного сопротивления, повышает предел текучести на 200-240 МПа, предел пропорциональности на 280-340 МПа, относительное удлинение снижается с 8 до 4-5 %. Поперечное сужение при деформации 3-4 % не сколько повышается (от 55 до 60-62 %) и остается без изменения при де формации 6-8 % (рис. 3.11).
Таким образом, низкоуглеродистые мартенситные стали способны релаксировать микронапряжения при отпуске и малых пластических дефор мациях, что повышает стойкость к образованию закалочных и холодных сварочных трещин и понижает критическую температуру хрупкости.
3.4. Структура низкоуглеродистого мартенсита после закалки и отпуска
Структура низкоуглеродистого мартенсита наряду с химическим со ставом обусловливает механические свойства стали. Её изучали с приме нением электронного и оптического микроскопов в основном на стали 03Х5Н2МБ. Закалку образцов производили с 950 °С в воде после выдерж ки 6 минут.
1300
1200
Рис. 3.11. Механические свойства стали 08Х6Г2Б в зависимости от степени деформации (исходное состояние: закалка с 920° С на воздухе)
Структура мартенсита после закалки (Мн = 450 °С) подобна структуре реечного мартенсита в железоникелевых (5-28 % Ni) и железоуглероди стых (до 0,6 % С ) сплавах [19, 20]. Параллельные кристаллы почти оди наковой ориентировки образуют пакеты.