Влияние углерода и легирующих элементов на стабильность аустенита и механические свойства МАС системы Fe–Mn–Cr–C

Стабильность аустенита по отношению к мартенситным превращениям при охлаждении и деформации определяется при данном химическом составе МАС положением температуры деформации (эксплуатации) по отношению к точкам Мн и Мд. В связи с этим в сталях с содержанием углерода 0,5–1,0 % необходимо рассматривать влияние легирующих элементов на положение температуры Т0 γ\α с учетом особенностей ДМП, определяемых уровнем ЭДУ аустенита. Систематическое изучение влияния легирующих элементов на положение температуры Мн в сталях с 1 % С показало, что большинство легирующих элементов практически линейно снижает эту температуру в следующей убывающей последовательности: Mn, Cr, V, Ni, Mo, Cu. Аномальное влияние на точку Мн оказывают Al и Co, повышая ее на 18 и 12 оС/ %, соответственно, а Si практически не оказывает влияния.

Есть все основания полагать, что стабилизирующее действие большинства элементов распространяется и на точку Мд30, подобно тому, как это показано Д. Энджелом и впоследствии уточнено для малоуглеродистой хромоникелевой нержавеющей стали в количественном выражении для точки Мд30:

 

Мд30 (°С) = 551 – 462 [% С+ % N] – 9,2 [% Si] – 8,1 [% Mn] – 13,7× ×[% Cr] –29 [% Ni + % Cu] – 18,5 [% Mo] – 68 [% Nb] – 1,4 N, (4.13)

 

где Мд30 – температура, при которой деформация растяжением на 30 % приводила к образованию 50 % α-мартенсита,

N – балл зерна в единицах ASTM.

Применимость этой формулы ограничена тем классом сталей, для которого она выведена.

Для углеродистых сталей ограниченная информация В. Д. Садовского с сотрудниками о влиянии легирующих элементов имеется только на температуру Мн, например, для сталей с 1 % С. Естественно предположить, что существует качественно аналогичное влияние элементов на точки Мн и Мд. Тогда неясно, почему в малоуглеродистых сталях по Д. Энджелу стабилизирующее аустенит действие никеля и меди эффективнее, чем хрома и марганца, а по В. Д. Садовскому в углеродистой стали – наоборот. Алюминий и кремний дестабилизируют аустенит, в то время как по формуле (4.12), кремний – более эффективный стабилизатор, чем марганец. По-видимому, в твердом растворе с повышенной концентрацией атомов углерода влияние легирующих элементов на мартенситные точки изменяется не только количественно, но, возможно, и качественно.

Стабилизирующее действие углерода и марганца на положение температуры Мн показано на рис. 4.69 для МАС с содержанием углерода 0,6–1,0 %. Однако это не означает, что все элементы, снижающие точки Мн и Мд, в той же последовательности стабилизируют аустенит по отношению к ДМП. Результат влияния легирующих элементов на ДМП будет зависеть также от особенностей развития ДМП в сталях с разным уровнем ЭДУ аустенита, который изменяется под действием легирующих элементов. Таким образом, влияние легирующих элементов на мартенситные превращения при охлаждении и деформации может быть если и одинаковым по направлению, то разным по интенсивности. Снижение ЭДУ аустенита под влиянием легирующего элемента, стимулируя деформационное двойникование, может способствовать предпочтительному образованию деформационного α'-мартенсита на границах или пересечениях двойников и тем более это образование облегчается при наличии γ→ε деформационного превращения.

Действие хрома на ДМП не столь однозначно, как марганца. Это можно проследить на двух сериях сталей, содержащих равное количество углерода – 0,6 и 0,8 % и различное количество хрома или марганца. Стабильность аустенита по отношению к образованию мартенсита в процессе охлаждения и при холодной пластической деформации регулировалась увеличением содержания марганца от 8 до 13 % при неизменных концентрациях углерода и хрома в первой серии и изменением концентрации хрома от 0 до 10,5 % при примерно равном содержании углерода и марганца во второй серии.

Зависимость механических свойств от содержания марганца в сталях типа 60Х5 и от содержания хрома в сталях типа 60Г10 показана на рис. 4.80. Увеличение концентрации марганца вызывает значительный рост как прочностных, так и особенно пластических характеристик, а также ударной вязкости при комнатной и отрицательных температурах в сталях типа 60Х5 (рис. 4.80, а). Это вызвано однозначно стабилизирующим влиянием марганца на аустенит, что наглядно демонстрируют диаграммы растяжения образцов сталей серии 60Х5 (см. рис. 3.26), на которых приведены также результаты изучения кинетики образования α'-мартенсита в процессе растяжения.

Увеличение содержания хрома в сталях серии 60Г10 также приводит к возрастанию прочности и пластичности (рис. 4.80, б), однако за исключением величин σв и КСU это возрастание не столь резкое, как в сталях первой серии. Различие в поведении сталей серий 60Х5 и 60Г10 связано с тем, что легирование хромом менее эффективно способствует увеличению деформационной стабильности аустенита сталей серии 60Г10, чем легирование марганцем сталей серии 60Х5: заметное уменьшение количества α'-мартенсита (до 2–3 %) в разорванных образцах наблюдается лишь у стали 60Г10Х11. В качестве характерной особенности концентрационной зависимости механических свойств обращает внимание увеличение расхождения между значениями σ0,2 и σв для обеих серий сталей по мере возрастания содержания легирующего элемента. Показано, что увеличение концентрации марганца от 8 до 13 % приводит к плавному снижению температур Мн и Мд в серии 60Х5 (рис. 4.80, а).

а б

в г

Рис. 4.80. Мартенситные точки, механические свойства при растяжении (а, б) и ударная вязкость (в, г) сталей типа 60Х5 (а, в) и 60Г10 (б, г) в зависимости от содержания марганца (а, в) и хрома (б, г):

1 – Мн; 2 – Mд; 3 – σв; 4 – σ0,2; 5 – δ; 6 – ψ; 7 – КСU+200; 8 – КСU-400

 

 

Влияние хрома на положение температуры несколько иное: c увеличением концентрации хрома от 0 до 6,5 % температура Мд не изменяется, а в результате дальнейшего увеличения концентрации хрома до 10,5 % снижается. Таким образом, стабилизирующее аустенит действие легирования хромом, особенно при деформации, в отличие от марганца выражено значительно слабее в указанных пределах легирования. Специфическое влияние хрома на деформационную стабильность аустенита связывается с конкурирующим действием прямого стабилизирующего действия хрома на аустенит и образованием зон с повышенным содержанием хрома и углерода вследствие большой энергии связи этих элементов и пониженной концентрацией этих элементов вне этих зон. Ближнее расслоение аустенита сталейсистемы Fe–Mn–Cr–C понижает стабильность углеродистого хромомарганцевого аустенита при деформации.

Легирование молибденом стали 60Г10Х5 стабилизирует аустенит по отношению к образованию α'-мартенсита как в процессе охлаждения, так и при холодной деформации. Если в стали 60Г10Х5 в результате охлаждения до –196 оС образуется около 5 % α'-мартенсита, то в сталях 60Г10Х5М0,5 и 60Г10Х5М заметного количества мартенсита не обнаружено.

 

 

а б в

 

Рис. 4.81. Зависимость напряжения и количества α'-мартенсита

(штриховые линии) от степени относительной деформации

при испытании на растяжение сталей:

а – 60Г9Х5(1),60Г9Х5М (2); б – 60Г10Х5(3) и 60Г10Х5М(4);

в – 60Г13Х5(5)и 60Г13Х5М(6)

 

 

Рисунок 4.81 иллюстрирует увеличение стабильности аустенитных сталей в процессе пластической деформации под влиянием легирования молибденом. Добавление в сталь уже 0,3 % Мо оказывает тормозящее влияние на образование α'-мартенсита. Легирование сталей типа 60Г10Х5 0,8–0,9 % Мо увеличивает величину δкр.α' и снижает интенсивность образования α'-мартенсита в процессе пластической деформации. Уменьшение количества α'-мартенсита деформации в структуре деформированных сталей с молибденом приводит к некоторому снижению способности к деформационному упрочнению несмотря на упрочнение твердого раствора аустенитных сталей при легировании молибденом вследствие значительного изменения параметра решетки.Полученные результаты по стабилизирующему действию легирования молибденом на образование мартенсита при деформации углеродистых аустенитных сталей (МАС) согласуются с данными о повышении деформационной стабильности малоуглеродистых хромомарганцевых МАС под влиянием легирования молибденом.

Действие ванадия на деформационную стабильность аустенита углеродистых хромомарганцевых МАС аналогично действию молибдена: термодинамическая стабильность аустенита возрастает уже при легировании 0,3 % V. Это следует из рис. 4.82, который показывает, что легирование ванадием снижает интенсивность образования α'-мартенсита в процессе деформации сжатием сталей типа 70Г8Х4Л и 60Г10Х5Л, однако в меньшей степени, чем при легировании молибденом, возможно вследствие того, что в результате закалки от 1120 оС не удается перевести весь ванадий в твердый раствор.

 

 

Рис. 4.82. Влияние молибдена и ванадия на интенсивность образования

α-мартенсита и твердость в процессе деформации

сжатием сталей типа 60Г10Х5Л:

1 – 60Г10Х5Л; 2 – 60Г10Х5МЛ; 3 – 60Г10Х5МФЛ;

4 – 70Г8Х4Л; 5 – 70Г8Х4ФЛ; 6 – 110Г13Л

 

Легирование этих сталей ванадием в количестве до 0,3–0,5 % практически не изменяет интенсивности деформационного упрочнения, несмотря на некоторое увеличение их стабильности. Это связано, по-видимому, с уменьшением размера зерна аустенита в ванадийсодержащих сталях, поскольку интенсивность развития γ→α превращения остается прежней. Поскольку в исследуемых сталях измельчение зерна достигается легированием ванадием, почти полностью связанным в карбиды, то увеличение ударной вязкости происходит только в тех сталях, где легирование ванадием не превышает 0,22 %, хотя зерно в этом случае измельчается незначительно.

Изменение стабильности аустенита в процессе холодной деформации путем вдавливания шарика на прессе Бринелля под влиянием легирования кремнием изучено на серии сталей, содержащих 0,8 % С, 8 % Mn и 0,7–2,88 % Si. Интенсивность образования α-мартенсита и соответственно склонность к деформационному упрочнению наибольшая в стали с максимальным содержанием кремния – 80Г8Х3С3 и уменьшается с понижением его концентрации в стали (рис. 4.83). Активизирующее действие кремния наДМП,вызванное снижением ЭДУ аустенита, увеличивает склонность сталей типа 80Г8Х3 к хладноломкости. В высокоуглеродистых сталях охрупчивающее действие мартенсита деформации выражено наиболее отчетливо, особенно при снижении температуры испытаний. Как величина ударной вязкости, так и температура перехода в хрупкое состояние в значительной степени зависят от склонности аустенита к образованию α-мартенсита при динамическом нагружении. В сталях с повышенным содержанием кремния процесс образования α-мартенсита идет интенсивнее, что стимулирует снижение ударной вязкости в вязком состоянии и повышает температуру хрупкого перехода.

 

 

Рис. 4.83. Зависимость диаметра отпечатка (– – – – –)

и количества α-мартенсита (––––––) от нагрузки на прессе Бринелля:

80Г8Х3С3Л(1); 80Г8Х3СЛ (2);80Г8Х3(3)

Легирование ванадием и особенно молибденом в количестве 0,3 и 0,5 %, соответственно, снижает порог хладноломкости МАС, содержащих 0,5–0,6 % С и 10–11 % Mn как в кованом, так и в литом состояниях (рис. 4.84). Это снижение обусловлено уменьшением количества мартенсита деформации в легированных молибденом и ванадием сталях перед устьем движущейся трещины. В литых сталях возможной причиной уменьшения количества мартенсита деформации может быть снижение степени ликвации углерода и марганца и некоторая компенсация уменьшения их содержания в осевой части дендритов с соответствующим снижением мартенситных точек в обедненных по углероду и марганцу микрообъемах стали.

Действие никеля на стабильность аустенита МАС системы Fe–Mn–C аналогично влиянию молибдена: введение 3 % никеля в сталь 100Г7Л полностью стабилизирует аустенит, что проявляется в резком повышении ударной вязкости стали с никелем при отрицательных температурах (рис. 4.84, в).

 

а б в

Рис. 4.84. Температурная зависимость ударной вязкости углеродистых

марганцевых МАС, легированных хромом, ванадием, молибденом, никелем серий 60Г13Л (а), 60Г10Л (б), 100Г7Л (в). Цифрами на кривых показано

количество α-мартенсита (%) на поверхности излома образцов:

а) 1 – 60Г13Л, 2 – 60Г13Х5Л, 3 – 60Г13Х5МФЛ;

б) 1 – 60Г10Л, 2 – 60Г10Х5Л, 3 – 60Г10Х5МЛ, 4 – 60Г10Х5МФЛ;

в) 1 – 100Г7Л, 2 – 100Г7М0,5Л, 3 – 100Г7Х2Л, 4 – 100Г7Н3Л

Это повышение заметно во всем интервале температур испытания и проявляется при –60…–80 оС, где образуется небольшое (1–5 %) количество мартенсита деформации в обеих сталях. Необходимо иметь в виду, что никель увеличивает сопротивление хрупкому разрушению кристаллов углеродистого мартенсита.

 

 






Дата добавления: 2020-04-13; просмотров: 83;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.011 сек.