2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

рис. 1.47). В этом случае общее количество образовавшегося мартенсита меньше того, которое получилось бы, если бы охлаждение проводилось без задержки (рис. 1.47, зависимость 1). Это явление известно как стабилизация аустенита. В качестве меры степени этой

В зависимости от скорости охлаждения стабилизация аустенита может наблюдаться и при температурах выше мартенситной точки Мн.

Рис. 1.47. Мартенситные зависимости при разной стабилизации аустенита: Тп – температура, при которой прерывают охлаждение и проводят выдержку; 1 – зависимость при непрерывном охлаждении; 2, 3 – зависимости, соот-

ветствующие разному времени (τ) остановки охлаждения при температуре Тп, при этом τ3 > τ2 [3]

Причиной стабилизации считается закрепление дислокаций атомами углерода и азота, что затрудняет процессы пластической деформации, необходимые для перестройки решетки при мартенситном превращении. Во многих чистых сплавах, не содержащих углерод и азот, стабилизация аустенита не наблюдается.

1.7.4. Влияние пластической деформации

Пластическая деформация может вызвать мартенситное превращение. Это происходит при температурах ниже температуры Тн, которая находится в интервале Мн < Тд < То. Деформация при темпера-

61

туре выше Тн не приводит к образованию мартенсита. Необходимо отметить, что высокие степени пластической деформации могут уменьшить количество образовавшегося мартенсита. Это хорошо видно на рис. 1.48. Вероятнее всего малые деформации создают локальные напряжения, которые благоприятствуют возникновению

Рис. 1.48. Влияние пластической деформации при +100 оС на кинетику образования мартенсита в стали Х17Н9 при –75 оС (Г.В. Курдюмов, О.П. Максимова)

мартенситных кристаллов, в то время как при больших деформациях плотность дислокаций увеличивается до такой степени, что блокирует их передвижение, которое необходимо для перестройки аустенитной решетки в мартенситную.

1.8.Превращения при отпуске закаленных сталей

Врезультате закалки структура эвтектоидной стали включает мартенсит и аустенит. Мартенсит – структура, которая имеет наибольший,

ааустенит – структура, которая имеет наименьший удельный объем. Следовательно, в процессе отпуска превращения мартенсита вызывают уменьшение объема, а превращения аустенита – его увеличение. Эти

62

изменения обусловливают применение дилатометрического метода для исследования процессов, протекающих при отпуске.

Температурный интервал отпуска от 20 до 600 °С можно разделить на четыре участка, каждый из которых характеризуется протеканием определенных процессов, схематически представленных на рис. 1.49 и 1.50.

Рис. 1.49. Дилатометрическая зависимость отпуска углеродистой стали (1,2 % С) [2]: 1 – закаленная сталь; 2 – нормализованная сталь

Первое превращение протекает в интервале от 80 до 200 °С. Оно характеризуется выделением углерода из пересыщенного α-раствора мартенсита и превращением тетрагональной решетки почти в кубическую. Такой мартенсит называется отпущенным мартенситом. Ясно, что процесс выделения углерода из раствора протекает в широком температурном интервале, но наиболее активен до 200 °С.

Второе превращение охватывает интервал от 200 до 300 °С.

Вэтот период происходит распад аустенита, который превращается

внижний бейнит.

63

Рис. 1.50. Схема, иллюстрирующая процессы, протекающие при отпуске [2]

Третье превращение характеризуется преобразованием уже отделившегося карбида в цементит (Fe3C) и активно протекает в интервале 300–400 °С, при этом наблюдается резкое снижение внутренних напряжений.

Четвертое превращение, протекающее в интервале 400–600 °С, характеризуется коагуляцией карбидных частиц.

Что касается свойств структур, полученных при отпуске, важно отметить, что если при распаде эвтектоидного аустенита образуется цементит пластинчатой формы, то при распаде мартенсита при отпуске цементит приобретает зернистую форму. В связи с этим различают троостит и сорбит, полученные при закалке и образовавшиеся при отпуске при температуре выше 400 °С.

1.9. Влияние структуры на механические свойства сталей

Стальные изделия закаливают с целью получения более высоких механических свойств, которые зависят от температуры, при которой реализуется превращение аустенита. На рис. 1.51 показано влияние

64

этой температуры на прочность стали. Очевидно, что наибольшая прочность на растяжение реализуется, когда в результате закалки получается мартенситная структура. Современные ответственные стальные изделия должны обладать определенным комплексом механических свойств, которые гарантируют их безопасную и надежную эксплуатацию. В связи с этим необходимо идти на целесообразные компромиссы между значениями отдельных механических характеристик, что может быть достигнуто путем создания подходящей структуры стали. Рассмотрим подробнее этот исключительно важный вопрос.

Рис. 1.51. Влияние температуры превращения переохлажденного аустенита на прочность низколегированных сталей (Ф.Б. Пикеринг):

1 – мартенсит; 2 – бейнит; 3 – феррит + перлит

Влияние углерода, находящегося в твердом растворе. Раство-

ренный в кристаллической решетке железа углерод вызывает тетрагональные деформации, являющиеся причиной возникновения напряжений, создаваемых дислокациями, и по этой причине препятствующих их передвижению в кристалле. Это является основной причиной высокой прочности мартенсита в углеродистых сталях. С увеличением содержания углерода увеличивается и твердость мартенсита.

65

Это хорошо видно на рис. 1.52. Необходимо различать твердость мартенсита 2 и твердость закаленной стали 1 (этот вопрос мы обсудем немного позже).

Рис. 1.52. Твердость закаленной стали – 1 и мартенсита – 2 в зависимости от содержания углерода (нагрев заэвтектоидной стали

производился выше точки АСm)

Влияние величины свободного передвижения (пробега) дисло-

каций. В соответствии с законом Холла-Петча предел текучести σт может быть записан в следующем виде:

где σ0 – сопротивление, которое испытывают дислокации при движении в кристаллической решетке. По этой причине такое напряжение называют еще напряжением трения; L – свободное продвижение (пробег) дислокаций. Это расстояние между двумя барьерами, на которое дислокации могут свободно передвигаться (пробегать); k – коэффициент, который характеризует трудность, с которой передается скольжение, т.е. эстафетная передача деформации от одного элемента структуры к другому.

Когда барьером при движении дислокаций являются, например, границы зерна (рис. 1.53), тогда в уравнении (1.3) L = D. В случае образования пакетного мартенсита в низкоуглеродистых сталях размер L определяется (рис. 1.54) толщиной мартенситного пакета b, т.е. L = b. Поскольку размер D зерна (рис. 1.54, а) много больше поперечного

66

размера b пакетного мартенсита (рис. 1.54, б), то с этой точки зрения в соответствии с (1.3) прочностные свойства этой мартенситной структуры очень высоки (рис. 1.55). Очевидно, все структурные преобразования, которые приводят к уменьшению L (именно это реализуется при образовании мартенсита), увеличивают прочность стали.

Создание структуры с высокой плотностью дислокаций. На-

копление большого количества дислокаций в данном объеме начинает препятствовать их передвижению, что ведет к упрочнению структуры. Именно по этой причине высокая плотность дислокаций в низкоуглеродистом пакетном мартенсите, достигающая значений ρ = 1010…1012см–2, является причиной его упрочнения, чем компенсируется низкое содержание углерода в стали (см. рис. 1.55).

Выделение дисперсных карбидов в результате самоотпуска.

Процессы самоотпуска при охлаждении имеют двоякое влияние. С одной стороны, образование карбидной фазы может блокировать движение дислокаций и таким образом повышать прочность. С другой стороны, само образование карбида уменьшает содержание углерода в мартенсите, что ведет к его разупрочнению.

Процессы самоотпуска оказывают большее влияние при образовании пакетного мартенсита, характерного для сталей с более низким содержанием углерода, при котором мартенситное превращение начинается при достаточно высоких температурах, Мн > 300 °С. В ста-

67

лях с низкой точкой Мн, когда образуется пластинчатый мартенсит, процессы самоотпуска оказывают несущественное влияние. При закалке не весь аустенит превращается в мартенсит. По этой причине в структуре закаленной стали всегда присутствует остаточный аустенит, количество которого растет с увеличением содержания углерода (см. рис. 1.18). Прочность аустенита гораздо ниже по сравнению с прочностью мартенсита, в результате чего твердость закаленной стали в зависимости от содержания углерода имеет максимум при С ≈ 0,8 % (кривая 1 на рис. 1.52).

Рис. 1.55. Зависимость предела текучести закаленной стали с 0,2 % С от среднего размера b мартенситного пакета [4]

Как мы уже отмечали, увеличение прочности мартенсита связано с затрудненной по разным причинам подвижностью дислокаций, что со своей стороны, ограничивает процессы пластической деформации. Релаксация напряжений перед фронтом трещины резко уменьшает опасность облегченного развития трещины. Чем больше энергия, которая поглощается при развитии трещины, т.е. чем больше трещиностойкость стали, тем меньше вероятность хрупкого разрушения и соответственно более надежна в эксплуатации данная деталь. Высокая трещиностойкость означает возможность пластической деформа-

68

ции при высоких напряжениях. Очевидно, нужно создать такую структуру, которая сочетает в себе определенные прочностные и пластические свойства, которые обеспечивают максимальную трещиностойкость (энергоемкость) стали при развитии трещины. В этом отношении сохранение в структуре закаленной стали некоторого количества остаточного аустенита, отличающегося своей пластичностью, может оказать благоприятное влияние на трещиностойкость материала.

Обсуждая трещиностойкость мартенситных структур, отметим одну особенность пакетного мартенсита. На рис. 1.56 показана схема развития трещины в этой структуре. В мартенситном пакете отдельные рейки слабо разориентированы друг относительно друга, в результате чего трещина прорезает целый пакет по опреде ленной кристаллографической

плоскости, не отклоняясь сколько-нибудь значительно при своем развитии. Соседний пакет, однако, имеет совсем другую ориентировку, в результате чего трещина вынуждена изменить свое направление, развиваясь по предпочтительной кристаллографической плоскости. Такие частые смены направления развития трещины, естественно, увеличивают энергию, израсходованную при разрушении этого типа структуры, т.е. повышают ее трещиностойкость.

1.10.Получение пакетного мартенсита

внизкоуглеродистых конструкционных сталях

Среди специалистов, занимающихся термообработкой, долгое время существовало мнение, что низкоуглеродистые стали вообще не закаливаются. Практика, однако, показывает, что промышленное использование этих сталей после закалки весьма перспективно из-за их достаточно высокой прочности и трещиностойкости. Именно благодаря низкому содержанию углерода эти стали имеют определенный комплекс технологических преимуществ по сравнению, например, со

69

среднеуглеродистыми конструкционными сталями – хорошая свариваемость, небольшие деформации при термообработке, низкая склонность к обезуглероживанию и образованию трещин. Кроме того, обеспечение очень хорошей прокаливаемости дает широкие возможности для упрощения технологического цикла при изготовлении различных деталей и конструкций. Чтобы гарантировать устойчивое получение пакетного мартенсита в низкоуглеродистых сталях, необходимо реализовать три принципиальных требования.

1.Необходимо обеспечить высокую устойчивость аустенита в температурной области, в которой происходит его распад на ферритоцементитную смесь.

2.Необходимо не допустить образования бейнита.

3.Бездиффузионный распад аустенита должен быть реализован

втех температурных зонах, в которых образуется реечный (пакетный) мартенсит.

Соблюдение этих трех принципов дало возможность создать два сравнительно новых класса сталей:

1) мартенситно-стареющие стали (МСС), известные в англоязычной литературе как maraging steels;

2) низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС). Остановимся кратко на способе конструирования этих двух ви-

дов стали. Подробности об их особенностях и свойствах изложены в гл. 4 и 5.

Химический состав мартенситно-стареющих сталей (МСС) характеризуется высоким содержанием никеля (Ni > 10 %), что препятствует нормальному диффузионному распаду аустенита [27] и его превращение протекает бездиффузионно по мартенситному механизму [28, 29]. Появление бейнита принципиально исключено из-за ничтожного содержания углерода. В этих сталях С ≤ 0,03 %. При рациональном выборе легирующих элементов в железо-никелевом сплаве, таких как кобальт, хром, молибден и титан, обеспечивается

подходящий интервал мартенситного превращения (Мн–Мк), в котором образуется только пакетный мартенсит [27–31]. В табл. 1.2 даны [31] три характерных состава МСС и мартенситный интервал при двух скоростях охлаждения (1 и 30 град/мин). Очевидно слабое влияние значительной разницы в скоростях охлаждения на температурный интервал Мн–Мк.

70