Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситног

а

б

Рис. 2.15. Влияние температуры изотермической выдержки на твердость и ударную вязкость, аустенитизация 940 °С, 40 мин: а - 07X3ГНМ; б - 08Х2Г2ФБ; в - 12Х2Г2НМФТ; г - 15Х2ГМФ

не изменяется во всем исследованном интервале темпе­ ратур и находится на уровне: для 07X3ГНМ 1,6- 1,9 МДж/м2; для 08Х2Г2ФБ 1,3-1,5 МДж/м2; для 12Х2Г2НМФТ 1,2-1,5 МДж/м2. Незначительное сниже­ ние уровня вязкости до 0,8 МДж/м2 происходит только в сталях 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ. В стали 08Х2Г2ФБ

температуры изотермы уровень ударной вязкости под­ нимается до 1,4 МДж/м2. В стали 12Х2Г2НМФТ ударная вязкость снижается в интервале температур 380-400 °С при выдержках более 300 с. Судя по данными магнито­ метрических исследований (см. рис. 2.1, 2.2), снижение уровня ударной вязкости происходит при выдержках, значительно превышающих время до полной остановки изотермического у—•■а превращения аустенита. Из этого следует, что снижение ударной вязкости в ходе изотер­ мической выдержки связано не с механизмом у—>а пре­ вращения, а с процессами отпуска свежеобразовавшегося изотермического мартенсита. Данное снижение вязкости, можно полагать, обусловлено образованием сегрегаций углерода, когерентных и полукогерентных выделений карбидов на дислокациях, что подтверждается тонкой структурой при больших увеличениях (х70 000-100 000), однако в режимах микродифракции и темного поля при­ сутствие карбидов не обнаружено, вероятно, из-за их дисперсности.

Зависимость ударной вязкости от температуры изо­ термической закалки и температуры отпуска одинакова (рис. 2.16). Это также свидетельствует о том, что некото­ рое снижение ударной вязкости в результате длительной изотермической выдержки при 380—400 °С следует свя­ зывать с процессами отпуска свежеобразовавшегося мар­ тенсита, полученного в изотермических условиях.

В стали 15Х2ГМФ твердость изменяется только в области температур около 400 °С. При данной темпера­ туре с увеличением времени изотермической выдержки

т, °с

в

Рис. 2.16. Ударная вязкость НМС 07ХЗГНМ (а), 08Х2Г2ФБ (б) и 12Х2Г2НМФТ (в) после охлаждения с изотермическими вы­ держками и после закалки и отпуска. Длительность изотерми­ ческих выдержек и выдержек при отпуске 3 ч

твердость снижается с 40 до 33 HRC. При более высоких (~ 490 °С) и более низких (~ 290 °С) температурах изо­ терм твердость стали не изменяется вследствие образо­ вания малого количества изотермической a -фазы и ма­ лой степени развития процессов отпуска соответственно.

Характер изменения ударной вязкости в стали 15Х2ГМФ в зависимости от длительности изотермиче­ ской выдержки в существенной мере определяется меха­ низмами у—*а превращений, протекающих в определен­ ных температурных интервалах. При температурах ниже 330 °С, при которых развивается мартенситное превраще­ ние, уровень ударной вязкости снижается с 1,5 МДж/м2 до 1,0 МДж/м2 при выдержках более 300 с, после остановки изотермического у->а превращения. При температурах выше 430 °С в области бейнитного превращения ударная вязкость снижается с 1,2 до 0,78 МДж/м2 уже при 25 с (см. рис. 2.15, г), то есть во время самого бейнитного превращения. Снижение ударной вязкости при темпера­ турах < 330 °С после остановки превращения связано с отпуском изотермического мартенсита, а снижение вязкости в бейнитной области является следствием обра­ зования глобулярной a -фазы достаточно больших разме­ ров, формирования карбидов во время самого процесса превращения и, возможно, сохранения нестабильного ос­ таточного аустенита.

Высокая стабильность характеристик механических свойств для НМС после изотермических закалок, обу­ словленная высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в нормальной и бейнитных областях, предпо­ лагает, что высокий уровень этих характеристик может быть получен как при непрерывном охлаждении с низ­ кими скоростями образцов сечением 5x10 мм, так и из­ делий большого сечения на спокойном воздухе. В стали 15Х2ГФМ превращение переохлажденного аустенита развивается как в нормальной, так в и промежуточной областях, что при непрерывном охлаждении приведет к формированию неоднородной структуры, свойства ко­

торой будут в решающей степени определяться скоро­ стью охлаждения.

Анализ результатов, представленных в настоящем разделе, позволяет заключить, что в низкоуглеродистых сталях 07ХЗГНМ, 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ в мартен­ ситной области развивается у—их превращение, которое по кинетическим признакам можно классифицировать как мартенситное превращение с «быстрой изотермиче­ ской кинетикой». В стали 07ХЗГНМ при температурах 720-600 °С выявляется область «нормального превраще­ ния». Исходя из построенных диаграмм изотермического превращения переохлажденного аустенита, за начало мартенситного превращения (М„) принята наибольшая температура, при которой начинают образовываться кри­ сталлы мартенсита, фиксируемые магнитометрическими методами: для стали 07ХЗГНМ М„ = 500 °С; для стали 08Х2Г2ФБ М„ = 475 °С; для стали 12Х2Г2НМФТ Мн = 410 °С; для стали 15Х2ГМФ М„ = 400 °С. В стали бейнитного класса 15Х2ГМФ мартенситное превращение развивается при температурах ниже 330 °С, а в интервале температур 500-400 °С протекает бейнитное превраще­ ние, характеризующееся термической активацией про­ цесса. В интервале температур 400-330 °С превращение начинается по мартенситному механизму, а заканчивает­ ся бейнитной реакцией. Независимо от температуры изо­ термической выдержки в мартенситной области у НМС формируется только структура реечного мартенсита с развитой субструктурой и высокой плотностью дисло­ каций. Регулярные карбиды и остаточный аустенит отсутствуют. Структуру стали бейнитного класса 15Х2ГМФ в решающей степени определяет механизм у—>а превращения. При температурах ниже 330 °С обра­ зуется структура реечного мартенсит, характерная для сталей с высоким содержанием углерода. В интервале температур 400-330 °С формируется смесь реечного мартенсита и бейнита. При температурах выше 400 °С происходит образование бейнитной a -фазы с разной сте­

пенью релаксации, наличием карбидной фазы и остаточ­ ного аустенита. Образование широкого спектра структур в стали 15Х2ГМФ связано с недостаточным легировани­ ем, не позволяющим эффективно сдерживать диффузию атомов внедрения и, как следствие, перераспределение точечных дефектов, дислокаций и миграцию межкристаплических границ. Твердость и ударная вязкость НМС после охлаждения с изотермическими выдержками ос­ таются на высоком уровне и соответствуют структуре низкоуглеродистого реечного мартенсита. Уровень удар­ ной вязкости в сталях 08Х2Г2ФБ и 12Х2Г2НМФТ незна­ чительно снижается только в интервале температур 380— 400 °С после полной остановки изотермического пре­ вращения, что связано с процессами отпуска свежеобразовавшегося изотермического мартенсита.

2.2.Механизмы и кинетика фазовых превращений

вНМС при непрерывном охлаждении

Исследования превращения переохлажденного ау­ стенита в низкоуглеродистых мартенситных сталях и стали бейнитного класса в изотермических условиях позволили четко выявить характерные для них темпера­ турные области у—кх превращения. Структуру и характе­ ристики механических свойств определяет доля превра­ щения, реализованного в той или иной температурной области. Наиболее простым и распространенным спосо­ бом охлаждения в практике упрочняющей термической обработки является непрерывное охлаждение. В методи­ ке изотермические исследования не позволяют в полной мере оценить влияние превращения, развивающегося в «нормальной» области, на превращения, реализующие­ ся при более низких температурах. Образование продук­ тов в области температур «нормального» превращения может тормозить (сдвиговое) или ускорять (термически активируемое) превращения при более низких темпера­ турах, что существенно изменяет закономерности, полу­ ченные в изотермических условиях.

При непрерывном охлаждении изделий большого сечения различные его части охлаждаются с различными скоростями, что может приводить к формированию по сечению целого спектра структур, определяющих широ­ кий диапазон изменения характеристик механических свойств.

Для установления структуры и свойств НМС и ста­ ли бейнитного класса, формирующихся в ходе упроч­ няющей термической обработки, проводили исследова­ ния превращения переохлажденного аустенита при не­ прерывном охлаждении в широком интервале скоростей.

Кинетика превращения переохлажденного аустенита низкоуглеродистых мартенситных сталей 07ХЗГНМ, 08Х2Г2ФБ, 12Х2Г2НМФТ и для сравнения стали бей­ нитного класса 15Х2ГМФ исследована с помощью модернизированного анизометра Акулова. Исходно за­ каленные образцы аустенитизировали при температу­ ре 930 °С в течение 8 мин и непрерывно охлаждали с различными скоростями до комнатной температуры. При непрерывном охлаждении с малыми скоростями или при охлаждении на воздухе изделия большого сечения длительное время находятся в области температур воз­ можной реализации «нормального» превращения. В «нормальной» области температур развитие у—»а пре­ вращения приводит к резкому изменению химического состава переохлажденного аустенита, что может спрово­ цировать бейнитное превращение в «промежуточной» области. В данной области температур химический со­ став может изменяться не только в результате «нормаль­ ного» превращения, но и в результате выделения карби­ дов из аустенита, непосредственно не фиксируемого магнитометрическими методами. Выделение карбидов может приводить к изменению химического состава ау­ стенита, что, в свою очередь, приведет к изменению тем­ пературы начала сдвигового у—»а превращения. Поэтому исследование кинетики проводили как при охлаждении до комнатной температуры непрерывно, так и с изотер­ мической выдержкой вблизи Мн (рис. 2.17).