1038

но структура образцов существенно отличается от структуры литых сталей.

Микроструктура образцов из сталей ПК50Н4 и ПК50Н6 в термообработанном состоянии (закалка 860 °С, масло + отпуск 180 °С, 2 ч) представляет собой бейнит с небольшими включениями аустенита – порядка 10 % (микротвердость 300–500 НV): у стали ПК50Н9 (нормализация + отпуск) структура бейнито-мартенситная с остаточным аустенитом до 30 % (микротвердость 380–560 HV).

Учет влияния концентрационной неоднородности на продолжительность инкубационного периода осуществляли исходя из гистограмм распределения легирующих элементов

(табл. 4).

ELIB.PSTU.RU

Для ряда сталей, среди которых и легированные никелем, отношение термодинамических импульсов перлитного превращения, обратно пропорциональное продолжительности инкубационных периодов этих сталей, можно заменить следующим соотношением [5]:

где τi , τj и ∆tmi , ∆tmj – инкубационный период и разность между A1 и температурой минимальной устойчивости аустенита в перлитной области tm соответственно.

Поскольку для построения С-кривых был выбран 5%-ный порог чувствительности, то и для учета влияния концентрационной неоднородности на ускорение распада были отобраны 5 % точек гистограмм с наименьшей концентрацией никеля. Оценки (табл. 5) были выполнены для сталей с наименьшей пористостью.

Как следует из табл. 5, учет гистограммы распределения никеля позволяет с достаточной для технических целей точностью прогнозировать продолжительность инкубационного

12

ELIB.PSTU.RU

периода концентрационно-неоднородных сталей. При пористости порядка 10 % и выше концентрационно-неоднородных сталей ПК50Н4 и ПК50Н6 ошибка экспериментального определения τm велика из-за малой продолжительности инку-

бационного периода.

Таблица 5

Вычисленные и экспериментально определенные значения инкубационного периода концентрационно-неоднородных никелевых сталей

Примечание. Cm − наибольшее содержание никеля в областях, претерпевших γ–α-превращение до образования 5 % перлита при температуре наименьшей устойчивости аустенита. Значение ∆tm , соответствующее Cm , находили из номограммы [5].

Итак, для прогнозирования кинетики распада переохлажденного аустенита концентрационно-неоднородных порошковых сталей следует: во-первых, разделить влияние пористости и концентрационной неоднородности; во-вторых, пористую структуру необходимо и достаточно характеризовать удельной поверхностью и дисперсностью пор; в-третьих, вклад концентрационной неоднородности дает возможность учитывать гистограмма распределения легирующего элемента.

13

ELIB.PSTU.RU

1.2.Концентрационно-неоднородные стали

сквазиравновесной структурой

Ранее была доказана необходимость для получения ау- стенитно-мартенситной структуры низкой пористости. Повышенной плотности добивались за счет выбора оптимального соотношения фракций порошкового железа и его активности [10], остаточная пористость составляла 4–6 %. Несмотря на высокие значения механических свойств обсуждаемых ниже материалов, испытания проведены на стандартных порошковых образцах.

Механизм повышения прочности, вязкости и усталости концентрационно-неоднородных материалов, который заключается в распаде остаточного аустенита обогащенных никелем областей, при статическом или циклическом нагружении, описан в работах [7, 11]. Изучено влияние неоднородности распределения никеля на физико-механические свойства сталей ПК0Н4 и ПК50Н6. Установлена связь между количеством метастабильного аустенита и трещиностойкостью стали, а также между термодинамическими параметрами состояния системы и работой разрушения.

Изучение разрушения сталей показало (табл. 6, 7), что существует немонотонная зависимость между концентрационной неоднородностью и механическими свойствами, которые, в свою очередь, изменяются согласованно. Как и следовало ожидать, спекание в водороде обеспечивает лучшие показатели (см. табл. 7).

Спеченные стали имели сорбито-трооститную структуру с микротвердостью 250–300 НV. После закалки и отпуска структура материалов содержит две основные составляющие – мартенсит игольчатого типа и аустенит; в стали ПК50Н4 встречаются бейнитные участки, микротвердость изменяется в интервалах 510–720 НV.

14

ELIB.PSTU.RU

Таблица 6

Механические свойства сталей, спеченных в вакууме, t = 1300 °C

Таблица 7

Механические свойства сталей, спеченных в водороде, t = 1200 °C

Следует отметить, что в случае оптимальных технологических параметров исследованные виды нагружения – растяжение, изгиб, удар или вдавливание – приводили к распаду аустенита; так, вдавливание индентора сопровождалось образованием мартенсита деформации в области, значительно превосходящей отпечаток. Качественно фазовые превращения при нагружении характеризуют сопоставление рентгенографических снимков поверхности образцов и зоны разрушения. Точное количество метастабильного аустенита до на-

15

ELIB.PSTU.RU

не приводило к изменению фазового состава после завершения этапа стабилизации.

Оценку вклада фазового превращения в увеличение трещиностойкости можно провести исходя из предположения о том, что дополнительная энергия, расходуемая на разрушение образцов с метастабильным аустенитом, определяется

удельная энергия фазового превращения, Wпр = 1,74 кДж/г.ат.

Глубину слоя определяли металлографически (рис. 1) с боковой поверхности шлифа. Она составляла 200 мкм для ПК50Н4 и 150 мкм для ПК50Н6.

Рис. 1. Микроструктура зоны разрушения: а – сталь ПК50Н4, средняя ширина зоны 200 мкм, ×250; б – сталь ПК50Н6, средняя ширина зоны 150 мкм, ×250

16

ELIB.PSTU.RU

К1с находили экспериментально, для чего испытуемые

образцы после закалки в масло погружали в жидкий азот, а затем отпускали при t = 180 °C.

= 45 МПа м1/2, рассчитанная по формуле (8) величина трещиностойкости – 64 МПа·м1/2, ошибка ε составляла 6 %.

Таким образом, повышенная вязкость разрушения сталей связана с дополнительными энергетическими затратами на фазовые превращения в процессе нагружения. Поскольку

распавшегося при нагружении аустенита. Однако на конкретную величину ударной вязкости влияет еще и напряженное состояние в зоне разрушения, которое при определении KC не регламентируют.

Полученные данные позволяют объяснить немонотонную зависимость механических свойств от концентрационной неоднородности. Фазовые превращения в микрообъемах могут протекать только в том случае, когда концентрация легирующих элементов обеспечивает температуру термодинамического равновесия T0 выше температуры испытаний. По-

этому по мере сокращения доли Aост с T0 ниже температуры

испытаний механические свойства растут. После того как достигнуто состояние, обеспечивающее полный распад аустенита, дальнейшая гомогенизация приводит к уменьшению количества остаточного аустенита, снижается объем γ–α- превращений при нагружении и механические свойства понижаются. На температуру термодинамического равновесия

17

ELIB.PSTU.RU

возможно влияние и технологических факторов: методов получения порошков, наличия примесей, восстановительной способности атмосферы спекания и других.

Исследования зоны разрушения позволили установить, что она (зона) отличается от других областей как структурным, так и химическим составом, для чего на одних и тех же образцах были измерены микрорентгеноспектральным методом концентрации никеля и построены гистограммы распределения до разрушения и на поверхности разрушения

(табл. 8, 9).

Таблица 8

Средние значения интервалов распределения никеля и железа до разрушения и в зоне разрушения стали ПК50Н4

18

ELIB.PSTU.RU

Таблица 9

Средние значения интервалов распределения никеля и железа до разрушения и в зоне разрушения стали ПК50Н6

Обе стали имели концентрацию никеля в зоне разрушения ниже, его однородность выше. Это означает, что на трипэффект влияет изменение не только внутренней энергии [12], но и энтропии. Для сохранения корректности сопоставления величин микрорентгеноспектральные измерения в зоне разрушения были выполнены на образцах, ранее испытанных на трещиностойкость. Далее полагали, что фазовый переход при разрушениях и является причиной перераспределения элементов. Ускорение массопереноса при деформации, в том числе и вследствие аустенитно-мартенситного превращения, было отмечено ранее в работах [13, 14].

19

ELIB.PSTU.RU

где ∆H и ∆S – изменение энтальпии (с учетом фазового перехода) и энтропии системы при температуре T (К).

Выражение для расчета ∆H складывается из двух слагаемых: первое – учитывает понижение концентрации в зоне разрушения, эта величина невелика и согласно [17, 18] составляет порядка 0,05 кДж/моль; второе – учитывает фазовый переход. Для стали с 4 % никеля – 3 кДж/моль, а для 6%-ной никелевой стали – 3,65 кДж/моль [18]. Тогда с учетом объемной доли фазового превращения для ПК50Н4 ∆H = 0,05 + 0,22·3 = = 0,71 кДж/моль, для ПК50Н6 ∆H = 0,05 + 0,48·3,65 = = 1,80 кДж/моль.

Конфигурационная энтропия изменится на величину

постоянная Больцмана.

Поскольку гистограммы в соответствии с требованиями [19] были разбиты на 8 интервалов, то

20

ELIB.PSTU.RU