книги из ГПНТБ / Богачев И.Н. Структура и свойства железомарганцевых сплавов

снижение прочностных свойств и твердости и возраста­ ние пластических свойств при повышении температуры испытания с комнатной до 300° С (рис. 98). При пони­ жении температуры ниже комнатной наблюдается рост предела прочности и текучести и падение пластических свойств. Падение твердости стали при отрицательных температурах, наблюдавшееся в работе [111], не ^под­ тверждается исследованиями, проведенными в нашей ла­ боратории. Результаты этих тщательных и систематиче­

ских исследований, а также данные о связи, существую­ щей между твердостью и пределом текучести, величина которого растет при понижении температуры, позволяют поставить под сомнение данные этой работы.

Как известно, марганцевые стали склонны к хладно­ ломкости. Потеря вязкости в этих сталях происходит не сразу, а в сравнительно большом температурном интер­ вале. Порог хладноломкости стали 110Г13, по данным большинства исследователей, находится в области тем­ ператур (—60)Ч-(—80)° С.

Падение ударной вязкости при температурах выше 400° С связано с образованием карбидной фазы. Струк­ турные изменения при нагреве начинаются с выделения заэвтектоидных карбидов по границам и внутри зерен (в виде пластин), а затем происходит эвтектоидный рас­ пад у твеРДОго раствора в интервале 400—700°С

(рос. 99). Рентгеноструктурные исследования фиксируют появление линий a -фазы и цементита, интенсивность ко­ торых растет [112]. После образования пластин, состо­ ящих из чередующихся слоев феррита и цементита, ра­ стут трооститные узлы. Это превращение протекает по обычному для эвтектоидных структур механизму, прог­ рессирует во времени и сопровождается резким увеличе-

Р и с . 99. Д и а г р а м м а и з о т е р м и ч е с к о г о р а с п а д а а у с т е ­ н и т а м а р г а н ц о в и с т ы х с т а л е й [ 1 1 2 ]:

/ — 0 , 9 3 % С ; 1 2 ,0 2 % М п ; 2 — 1 ,2 5 % С ; 1 2 ,4 4 % М п ; к — к а р б и д ; тр — т р о о с т и т

пнем количества продуктов распада — феррита и це­ ментита. Одновременно происходят обезуглероживание у-твердого раствора и диффузия марганца в карбид, что, по данным авторов, иллюстрируется снижением точки Кюри. Авторы считают, что в результате изотермиче­ ской выдержки в интервале температур 400—700° С про­ исходят следующие превращения:

у (1,25% C ) + Y (0,05-j-0,15% С) + [а + (Fe, Мп)3С], где a+(Fe, Мп)3С — эвтектоид.

Некоторые исследователи пытались выяснить роль

отпуска при различных температурах в повышении ме­ ханических свойств стали 110Г13Л. В литературе отме-

tieiio благотворное влияние низкотемпературного отпу­ ска при 300° С. В частности, показано [113], что отпуск при 300° С в течение 90 ч несколько повышает сопротив­ ление стали ударному изгибу. Отпуск при 420° С в тече­ ние 30 ч снижает ударную вязкость почти в 35 раз, по сравнению с исходным состоянием — с 2,05 до 0,06 Мдж/м2 (с 20,5 до 0,6 кГ-м/см2). Заэвтектоидные карбиды, выпавшие по границам зерен при этой темпе­ ратуре отпуска, способствуют охрупчиванию стали. Не менее резко снижаются и характеристики пластичности. Пластичность и вязкость аустенита в интервале темпера­ тур отпуска 400—800° С крайне низкие, что обусловлено структурными модификациями аустенита в этом темпера­ турном интервале. Отпуск при температурах выше 800° С способствует коагуляции заэвтектоидпых карбидов, что сказывается на росте вязкости и пластичности стали.

Влияние химического состава

Уг л е р о д . На рис. 100, а представлены характери­ стики прочности, пластичности и износостойкости мар­ ганцовистых сталей в зависимости от содержания угле­ рода. При повышении концентрации углерода с 0,87 до 1,24% уровень механических свойств возрастает, даль­ нейшее увеличение содержания углерода ухудшает ме­ ханические свойства. Износостойкость стали растет с уве­ личением содержания углерода до 1,38%. Н. Г. Давыдов утверждает, что возрастание концентрации углерода от 0,84 до 1,15% не влияет на ударную вязкость, а при ^1,15% С величина а„ резко снижается.

В. И. Григоркин исследовал влияние углерода и мар­ ганца на свойства .кованых марганцевых сталей. Со­ гласно его данным, для нестабильных малоуглеродистых сталей характерны более низкие механические свойства, особенно пластичность и вязкость. Кроме того, повыше­ ние содержания углерода сдвигает порог хладнолом­ кости в сторону низких температур.

М. В. Каракула с сотрудниками [114] считают, что отрицательное влияние повышенной концентрации угле­ рода на механические свойства стали обусловлено нега­ тивным действием остаточных карбидов в объеме и вдоль границ зерен кристаллитов и микропор вдоль этих границ (наличие микропор объясняется разницей удель-

пых объемов карбида и матрицы). Количество микропор тем больше, чем выше содержание углерода в стали.

М а р г а н е ц . Исследования В. И.Григоркина позво­ ляют сделать вывод, что в стали с 1,2% С увеличение содержания марганца от 13,61 до 19,61% приводит к не­ большому [50 Мн/м2(5 кГ/мм2)] возрастанию предела

Рис. 100. Влияние содержания углерода [114] (а) и кремния [по данным Н. Г. Давыдова и др., Н. В. Каракула, О. Д. Молдавского и др.] (б) на механические свойства и износостойкость стали 110Г13

текучести, не влияет на предел прочности и твердость стали и уменьшает пластические свойства и истинное сопротивление отрыву (табл. 19). !

Д. С. Костинский отмечает, что марганец (>12% ) усиливает склонность к возникновению трещин и к обра­ зованию крупнокристаллической дендритной структуры. Ударная вязкость образцов стали с повышенным содер­ жанием марганца понижена.

На многих заводах обязательным техническим усло­ вием приемки отливок из стали 110ГІЗЛ является отно­ шение [Мп] : [С] ^ 10 (ГОСТ 7370—64). Е. Пивоварскин показал, что при величинах отношений концентраций марганца и углерода свыше 10 в стали все более возра­ стает количество марганцевых карбидов, которые труд­ но растворяются при температурах закалки, следствием чего и являются низкие механические свойства стали, хотя по данным [115] они не зависят от отношения [Мп] : [С] Д. С. Костинский полагает, что оптимально иметь [Мп] :[С] = 7,5-Г-8,5. Другие исследователи счита­ ют, что должно быть [Мп] : [С] 7=: 10.

И. Р. Крянин отмечает повышение износостойкости стали при легировании ее углеродом.

Мнения, встречающиеся в литературе относительно влияния марганца на износостойкость стали, достаточно противоречивы. В некоторых работах указывается, что содержание марганца в пределах, обеспечивающих ус­ тойчивость аустенитной структуры, не влияет на износо­ стойкость и ударную вязкость.

Показано, что стойкость стали против истирания по­ вышается с увеличением концентрации марганца до 14,5%. Д. С Костинский утверждает, что повышение со­ держания марганца способствует увеличению износа стали.

По-видимому, все эти противоречия связаны с разны­ ми условиями эксперимента и эксплуатации стали в про­ цессе износа.

Кр е м н и й . На рис. 100,6 показаны кривые, харак­ теризующие влияние кремния на механические свойства

г|і и ô — в 1,5 раза. Эти явления обусловлены ухудшени­ ем литой структуры при увеличении содержания крем­ ния.

В связи с тем, что повышение концентрации кремния сопровождается увеличением ликвации углерода в при­ граничные области, граница зерна заметно утолщается.

Кремний уменьшает предельную растворимость уг­ лерода в аустените, тем самым способствуя сохранению карбидов в стали при ее нагреве под закалку.

При содержании кремния выше 0,5—0,6% увеличи­ вается брак по горячим трещинам. Особенно резко

вредное влияние кремния сказывается при высоком (выше 1,2%) содержании углерода.

О влиянии кремния на износостойкость стали имеют­ ся противоречивые сведения. По данным И. Р. Крянииа, с увеличением содержания кремния повышается износ марганцовистой стали. Другие исследователи считают, что повышение содержания кремния даже до 2% незна-

стали [107]

чительно влияет на износостойкость стали. В. И. Власов, Е. Ф. Комолова указывают на увеличение износостойко­ сти стали при возрастании содержания углерода с 0,7 до 1,5% и кремния с 0,2 до 1,5% .

При увеличении отношения концентраций [Mn] : [Si] и [P] : [Si] наблюдается тенденция повышения износо­ стойкости.

Большинство исследователей рекомендует ограни­ чить содержание кремния в стали до 0,5—0,6% для от­ ливок и 0,2—0,4% для деформируемых при высоких тем­ пературах сталей .

Ф о с ф о р является одним из важнейших элементов, который определяет механические, рабочие и литейные свойства марганцовистой стали.

Относительно вредного влияния фосфора на свойст­ ва марганцовистых сталей нет существенных разногла­ сий между отдельными исследователями и дискутируют­ ся только допустимые его концентрации в стали.

Как видно из рис. 101, все показатели механических свойств стали (за исключением а0,г) снижаются.

Фосфор значительно ухудшает структуру стали 110Г13Л за счет выделения фосфидов железа и марган­ ца по границам зерен. Кроме того, фосфор способствует трещинообразованию в отливках стали.

С е р а с марганцем, как известно, образует легко­ плавкие сульфиды, которые легко переходят в шлак. При обычном ее содержании 0,02-^0,3% S вредного влияния на механические свойства не обнаруживается.

Влияние легирующих элементов

Одним из путей упрочнения марганцовистой стали яв­ ляется ее легирование. Упрочнение г. ц. к. у-железа мо­ жет быть получено введением в него элементов с иной решеткой. Поэтому считается перспективным дополни­ тельное легирование аустенитной стали титаном, ванади­ ем, цирконием и другими элементами. Растворимость их в стали увеличивается с повышением содержания марганца.

Проанализируем влияние основных легирующих эле­

Ни к е л ь . Американская и английская литература рекламирует сталь Гадфильда с добавкой 3—5% Ni, за­ калку которой можно заменить нормализацией или сов­ сем обойтись без термообработки, так как уже в литом состоянии сталь имеет аустенитную структуру.

Большинство авторов считают, что никель практиче­ ски не влияет на механические свойства стали 110Г13Л, ряд исследователей отмечают некоторое повышение прочностных и пластических свойств при легировании никелем.

Некоторые исследователи сообщают о падении ударной вязкости при комнатной температуре с увеличе­ нием содержания никеля до 4%. Такое влияние никеля на ударную вязкость стали объясняется тем, что, хотя и в меньшей степени, чем кремний, никель уменьшает растворимость углерода в аустените.

В. И. Григоркин [Пб] приводит данные о влиянии никеля на ударную вязкость марганцовистой стали

(рис. 102). Повышение пи при комнатной температуре может быть объяснено разным содержанием углерода и марганца в этих двух сталях. Главной особенностью никеля как легирующего элемента следует считать пони­ жение порога хладноломкости при введении его в сталь. По данным [117], 2% Ni снижают положение порога хладноломкости стали с 0,07—0,1 % С п 4,0—8,0%Мп на 30 град. Ю. Д. Новомейский отмечает, что 8- 12% Ni

Рис. І02. Влияние леги­ рующих элементов и тем­

в стали с 0,6%С обеспечивают сохранение ударной вяз­

билизацией никелем марганцовистого аустенита). Износостойкость стали при легировании ее никелем

практически не изменяется.

Никель улучшает свариваемость стали, обрабатыва­ емость ее давлением и, кроме того, повышает устойчи­

уменьшения вредного влияния фосфора. О. Д. Молдав­ ский с сотрудниками показал, что алюминий способен связывать фосфор, содержащийся в стали, в тугоплавкий фосфид алюминия. Частицы фосфида выпадают из рас­ плава на ранней стадии кристаллизации и в твердой стали оказываются равномерно распределенными в объе-

ме металла. При этом по границам зерен легкоплавкие включения фосфидов железа и марганца не выделяются, что влечет за собой значительное повышение стойкости между отдельными кристаллитами. При этом для значи-

,тельного уменьшения количества фосфора, выделяю­ щегося по границам зерен, достаточно 0,08—0,15% оста­ точного алюминия. Не менее благотворно влияет алюми­ ний на структуру термически обработанной стали. При выдержке под закалку при 1050—1080° С фосфиды алю­ миния разлагаются в аустените, образуя дисперсные раз­ общенные выделения фосфидов эвтектики, которые рас­ полагаются не на границе, а внутри зерна.

Таким образом, алюминий фактически снижает кон­ центрацию фосфора в стали, так как связывает его в ви­ де тугоплавких фосфидов алюминия.

Как показывает рис. 102, алюминий несколько повы­ шает ударную вязкость стали 110Г13; кроме того, он уменьшает предел прочности и не влияет на предел теку­ чести.

Однако имеются совершенно противоположные дан­ ные о влиянии алюминия на механические свойства ста­ ли. Некоторые авторы показали, что алюминий снижает все механические свойства высокомарганцовистой стали, особенно заметно при содержании до 0,05%.

Ме д ь стабилизирует y-твердый раствор. Однако склонность к хладноломкости аустенита стали, легиро­ ванной медью, практически не изменяется по сравнению со сталью исходного состава.

Введение 2,75% Си приводит к незначительным отли­ чиям механических свойств от свойств обычной марган­ цевой стали. При 5% Си сталь перестает быть ковкой и прочность ее снижается.

В работах Н. Г. Давыдова отмечено уменьшение из­ носа отливок при увеличении содержания меди до 0,4 %• Дальнейшее легирование увеличивает износ.

Большинство авторов считает, что легирование медью с целью повышения прочностных свойств и устранения хрупкости при низких температурах нецелесообразно.

Хр о м — один из наиболее распространенных в на­ стоящее время элементов, применяющихся для легиро­ вания высокомарганцевой стали.

Первоначально добавка хрома предназначалась для улучшения обрабатываемости стали 110Г13. Обычно вво-

днли около 1% Cr, одновременно уменьшая концентра­ цию углерода и марганца.

Однако легирование стали хромом приводит к повы­ шенному трещинообразованию из-за внутренних напря­ жений, связанных с присутствием карбидов, и не устра­ няет столбчатой структуры в отливках. В микрострукту-

Рис. 103. Влияние карбидообразующих элементов па механические свойства аустенитной марганцовистой стали [118]:

а — С г, б — Ті; в — V

ре стали, содержащей более 1% Сг в литом состоянии, кроме сетки карбидов по границам зерен, встречаются также участки так называемой карбидной эвтектики (структуры типа грубопластинчатого перлита). При за­ калке с 1050° С (нагрев в течение 1 ч) не удается полно­ стью перевести карбиды в твердый раствор. Чисто аусте­ нитное состояние удается получить при закалке с 1100— 1150° С (после выдержки в течение 1,5 ч).

Большинство авторов отмечает, что хром способству­ ет повышению прочностных характеристик [118] (рис. 103, а). Дискутируется влияние хрома на'пластичность, вязкость и износостойкость стали Гадфильда. Н. Г. Да­ выдов отмечает, что легирование стали хромом практи­ чески не повлияло на пластические свойства. Отрица­ тельное действие хрома на пластичность стали подчер­ кивают В. М. Бережиани и С. Я- Кармазин. Так, С. Я.