влияния образуются пики напряжений, приводящие к об­ разованию холодных трещин.

Рассмотрим теоретические предпосылки создания НМС. Углерод является наиболее экономичным элемен­ том для повышения прочности стали, но повышение его содержания вызывает ряд нежелательных следствий. Сдвиговые кооперативные превращения (мартенситное, бейнитное) при наличии углерода создают высокий уро­ вень внутренних напряжений. Закрепление дислокаций атомами углерода или карбидами затрудняет релаксацию напряжений, что в свою очередь понижает ударную вяз­ кость, повышает Ткр и облегчает возникновение закалоч­ ных трещин. По мере роста содержания углерода увели­ чиваются объемные изменения при охлаждении, а это вызывает коробление и поводки, необходимость правки.

В низколегированных* сталях при содержании угле­ рода выше 0,13-0,20% в температурных интервалах 500-300 °С избежать бейнитное превращение при отно­ сительно невысокой скорости охлаждения невозможно, в результате чего ограничивается прокаливаемость, по­ вышается и Значительные затруднения возникают при сварке, поскольку в зоне термического влияния образу­ ются малопластичный мартенсит и бейнит, приводящие к образованию холодных трещин. Поэтому свариваемые стали или стали для точных заготовок машиностроения с прочностью 1000-1200 Н/мм2были созданы на основе составов с минимальным содержанием углерода и леги­ рованных таким образом, чтобы получить при охлажде­ нии с малой скоростью (на воздухе) без закалки в жидкие среды структуру низкоуглеродистого мартенсита.

В зависимости от легирования, температуры пре­ вращения и скорости охлаждения полиморфное превра­ щение у—*а может происходить по двум различным механизмам - «нормальному», неупорядоченному, самодиффузионному переходу с образованием полигонально­ го феррита с малой плотностью дислокаций или мартен­

ситному с характерной субструктурой «пакетного» мар­ тенсита и плотностью дислокаций более Ю10 см-2

Продолжительность инкубационного периода и вре­ мя полупревращения аустенита при температурах «нор­ мального» у— перехода находятся в качественном соот­ ветствии с характеристиками граничной самодиффузии железа. Энергия активации граничной самодиффузии же­ леза, содержащего 0,04 % С, составляет ~ 26 ккал/г-атом, а при легировании Сг (7 %) и Ni (2 %) составляет при­ мерно 40 ккал/г-атом, соответственно время 5%-ного пре­ вращения у-фазы менее 1 с и 720 с. С другой стороны, при неизменном легировании (7 % Сг и 2 % Ni) энергия акти­ вации граничной самодиффузии железа при 0,003 % С со­ ставляет 33 ккал/г-атом, а при 0,04 % С - 40 ккал/г-атом [5]. Эти закономерности и необходимость устранения бейнитного превращения определяют допустимый диа­ пазон концентрации углерода в низкоуглеродистых мар­ тенситных сталях, в большинстве случаев от 0,04 до 0,12 %. Приведенные данные послужили основанием для разработки НМС [2, 4-7]. Важной особенностью этих сталей является отсутствие превращения в области тем­ пературы, соответствующей образованию верхнего бейнита(рис. 1.1). Температура мартенситного превращения

Рис. 1.1. Диаграммы изотермического превращения (схема): — для НМС;

— для среднеуглеродистых сталей

почти на 100 °С выше, чем Мн у среднеуглеродистых сталей (400 °С - для 07ХЗГНМ, 08Х2Г2Ф, 12Х2Г2НМФ и 300 °С - для 35XH3M).

Высокая устойчивость аустенита в области «нор­ мального» (перлитного) превращения, отсутствие верх­ него бейнита, слабая зависимость вязкости от величины зерна, высокая температура мартенситного превращения М„, обеспечивающая отпуск в ходе охлаждения, способ­ ствуют формированию при медленном охлаждении структуры низкоуглеродистого мартенсита, гарантирую­ щей благоприятное сочетание характеристик прочности, пластичности и вязкости.

Структура НМС представляет собой пакетный мар­ тенсит: тонкие реечные кристаллы, разделенные малоуг­ ловыми границами и содержащие дислокации, плотность которых составляет 1010~|2см~2, определяют механические свойства закаленной стали. Высокая плотность дислока­ ций обеспечивает прочность а0,2 выше 800-1200 Н/мм2, а их подвижность - релаксацию напряжений, возникаю­ щих в ходе деформации, следовательно, пластичность и вязкость. В структуре отсутствуют перлит и верхний бейнит, повышающие склонность к хрупкому разру­ шению.

Высокая температура мартенситного превращения (380-420 °С) способствует релаксации напряжений в хо­ де охлаждения. Малый объемный эффект при у—кх пре­ вращении, обусловленный малым содержанием углерода, низкие тепловые напряжения, возникающие при медлен­ ном охлаждении на воздухе, обеспечивают бездеформационную закалку, устраняют опасность возникновения трещин. Склонность к деформации в 5-10 раз ниже, чем у сталей, содержащих 0,3-0,4 % углерода. Эти же факто­ ры обусловливают хорошую свариваемость.

Сочетание легирующих элементов определяется за­ данной прокаливаемостью, т.е. устойчивостью аустенита (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Влияние концентрации хрома на устойчивость аустенита при темпера­ туре минимальной устойчивости в «нор­ мальной» области для сталей, содержа­ щих в %: 0,06-0,10 С, и добавки 2 Мп (/); 2 Ni (2); 3 Мп (3); 2 Ni и 0,8 Мо (4); 1 Ni

и 0,8 Мо (5); INi (6)

Особенности структурного состояния и фазового превращения делают целесообразным применение НМС для изготовления термоупрочненной продукции на ме­ таллургических заводах, в металлургическом производ­ стве машиностроительных заводов и для высокопрочных сварных конструкций.

1.2.Совмещенный процесс формообразования

сзакалкой

Стремление получить термоупрочненный прокат с минимальными затратами в металлургическом произ­ водстве вполне естественно. Исследования в основном направлены на изучение влияния термодеформационных параметров на структуру и свойства традиционных кон­ струкционных легированных сталей. В результате разра­

ботаны различные виды совмещенной обработки давле­ нием с закалкой.

Известные процессы термомеханической обработки и контролируемой прокатки весьма эффективны, но не нашли широкого применения из-за необходимости больших капитальных затрат на оборудование и трудно­ сти их реализации в связи с ограничением температурно­ деформационных параметров. Возникшие ограничения обусловлены свойствами традиционных конструкцион­ ных сталей типа 12Х2НМФ, 35Х2Н2М, 35ХНЗМФ. Сформированная структура после горячей деформации в широком интервале температур, характерном для ме­ таллургического производства проката и заготовок, существенно зависит от величины деформации. В ре­ зультате образуется гетерогенная структура на фоне разнозернистости. Наименее работоспособна сложная структура верхнего бейнита. Она содержит низкоуглеро­ дистый мартенсит, карбиды, преимущественно располо­ женные по границам зерен, мартенсит с повышенным содержанием углерода относительно среднего содержа­ ния, остаточный аустенит, который может распадаться от воздействия рабочих напряжений, образуя высокоугле­ родистый мартенсит. Известно, что верхний бейнит с та­ кой структурой существенно повышает критическую температуру хрупкости [4]. Для предотвращения образо­ вания такой структуры ограничивают интервал темпера­ туры и величины горячей деформации и проводят охла­ ждение с повышенной скоростью, как правило, в воде. В результате возникают остаточные напряжения, приво­ дящие к короблению и деформации.

НМС, свободные от присущих среднеуглеродистым конструкционным сталям недостатков, нашли широкое применение в 80-90-х гг. в специальном и общем маши­ ностроении. Стали типа 07ХЗГНМ и 08Х2Г2Ф содержат менее 0,12 % углерода и такое сочетание легирующих элементов, которое обеспечивает высокую устойчивость

аустенита и мартенситное превращение при медленном охлаждении на воздухе.

Важной особенностью этих сталей является отсут­ ствие превращения в области температур, соответст­ вующей образованию верхнего бейнита. Температура мартенситного превращения почти на 100 °С выше Мн среднеуглеродистых сталей (400 °С для 07X3ГНМ

и08Х2Г2Ф и 300 °С для 35XH3M). Высокая устойчи­ вость аустенита в области «нормального» (перлитного) превращения, отсутствие верхнего бейнита, слабая зави­ симость вязкости от величины зерна, высокая температу­ ра мартенситного превращения М„, обеспечивающая от­ пуск в ходе охлаждения, способствуют формированию при медленном охлаждении структуры низкоуглероди­ стого пакетного мартенсита, гарантирующей благопри­ ятное сочетание характеристик прочности, пластичности

ивязкости, обусловленное природой НМ. Неотпущенный низкоуглеродистый мартенсит в твердом растворе содержит около 0,10 % С, что соответствует отпуску при температуре до 500 °С.

НМС хорошо обрабатываются давлением в холод­ ном состоянии. Это обусловлено низким коэффициентом деформационного упрочнения К = 1,05... 1,15 и высокой пластичностью в термоупрочненном состоянии, что по­ зволяет увеличить величину деформации за один проход, следовательно, уменьшить число проходов при холодной деформации.

Для определения конкретных температурно-дефор­ мационных параметров исследовали влияние деформа­ ции на устойчивость аустенита в области около М„, на размер зерна и ударную вязкость [8- 11] (рис. 1.3).

Деформация на 80 % малоуглеродистой стали 10ХЗГНМ повышает устойчивость аустенита в области бейнитного превращения, увеличивая инкубационный период с 3 до 7 мин, а в стали, содержащей 0,35 % (35ХЗГНМ), ускоряет бейнитное превращение, уменьшая инкубационный период с 2,2 до 1,5 мин.

Рис. 1.3. Влияние величины зерна на ударную вязкость НМС и стали 35XH3M при ов =

= 1000 МПа. Деформация: 0 - 8 0 %, □ - 40 %;

Гдеф= 1250-1050 °С

Такое влияние деформации можно объяснить тем, что при малом содержании углерода контролирующим процессом является мартенситное превращение, которое, как известно, при больших деформациях замедляется; ему предшествует кратковременный инкубационный пе­ риод, в течение которого релаксируют напряжения при относительно высокой температуре Мн и происходит не­ значительное перераспределение углерода, не приводя­ щее к образованию карбидов. В результате формируется мартенситная структура [12].

В среднеуглеродистых сталях большая деформация вызывает ускорение бейнитного превращения, посколь­ ку процесс контролируется скоростью перераспреде­ ления углерода, которая увеличивается в результате де­ формации, что приводит к формированию бейнитной структуры.

Исследование влияния температуры конца ( Г КОн) де­ формации показало, что в стали 07X3ГНМ при Ткон = = 900... 1050 °С и деформации на 40-90 % обеспечиваются размер зерна не выше 4-го номера по шкале ГОСТ 5639 (0,0788 мм), структура низкоуглеродистого мартенсита (обеспечивается охлаждением на воздухе с прокатного нагрева), ударная вязкость более 120 Дж/см2, прочность с в= 1000...1200 Н/мм2.

Применение НМС позволяет по-новому решить за­ дачу термического упрочнения проката и других видов полуфабриката, получаемого горячей обработкой давле­ нием. Закаливаемость на воздухе позволяет осуществить в действующем потоке металлургического производства проката совмещенный процесс формообразования с за­ калкой без применения жидких охлаждающих сред. Ста­ новится возможно экономичным и простым путем на существующем оборудовании без капитальных затрат создать экологически чистый технологический процесс изготовления термоупрочненного проката с прочностью 1000-1200 Н/мм2 и высокими характеристиками пла­ стичности и вязкости. Структура и свойства насосно­ компрессорных труб из НМС (см. гл. 5) соответствуют стандартам РФ И США [13, 14].

Специальное исследование коррозионной стойко­ сти насосно-компресорных труб в сравнении с импорт­ ными показало, что в углекислотосодержащих сре­ дах НМС имеют скорость коррозии в 2,5 (07ХЗГНМЮА) и 1,5 (08Х2Г2Ф) раза меньшую, чем применяемые сейчас С95 и С75 (табл. 1.1).

Новые НМС 12Х2Г2НМФТ, 07ХЗГНМЮА, 08Х2Г2ФА и технологические процессы освоены также при изготовлении термоупрочненного листового и сор­ тового проката [13], насосных штанг (ТУ 3-РГ. 104-95). Во всех случаях получена однородная мартенситная структура, отсутствовали окалина и склонность к обезуг­ лероживанию.

Глава 2. КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ НМ

Известны две группы низкоуглеродистых конструк­ ционных сталей мартенситного класса, в которых воз­ можно получение мартенситной структуры в процессе замедленного охлаждения: мартенситостареющие стали (МСС) и низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС). МСС - это высокочистые, высоколегированные и поэто­ му весьма дорогие сплавы, использование которых целе­ сообразно при требуемом уровне прочности не менее 1400 МПа, а прочность традиционных НМС, созданных в 90-х гг. XX века, не превышала 1000 МПа. В настоящее время достигнута прочность 1200-1400 МПа, применяе­ мых в промышленности экономнолегированных низко­ углеродистых сталей.

Наиболее реальным и экономичным путем решения этой проблемы является повышение прочности НМС за счет некоторого увеличения содержания углерода: с 0,07-0,08 до 0,12-0,15 %. В то же время этот путь явля­ ется наиболее рискованным, поскольку повышение со­ держания углерода может привести к активизации бейнитного превращения. Появление бейнитной структуры приводит к снижению прочности, трещиностойкости

итехнологичности низкоуглеродистых сталей.

2.1.Формирование структуры

имеханические свойства НМС в изотермических условиях

Впрактике термической обработки основным и са­ мым простым видом охлаждения с температур аустени­ тизации, обеспечивающим требуемый комплекс свойств, является непрерывное охлаждение в различных закалоч­ ных средах и в том числе охлаждение на воздухе. В зави­ симости от химического состава стали и скорости охла­ ждения в изделиях (заготовках), проходящих при охлаж­ дении все температурные интервалы превращения переохлажденного аустенита, формируется спектр струк­