НОВІ Високоміцні і надміцних матеріалів з високою пластичністю НА ОСНОВІ ЗАЛІЗА.
Висока конструктивна міцність виробу досягається тільки тоді, коли вона виготовлена з матеріалу, що володіє великою міцністю і високим опором крихкому руйнуванню. Цим вимогам у значній мірі відповідають без вуглецеві (≤ 0.03% С) мартенситно-старіючі сталі, вуглець і азот у складі яких - шкідливі домішки, які знижують пластичність і в'язкість сталі. Ці сталі упрочняются загартуванням і наступним старінням.Слід згадати, що мартенсит є впорядкованим пересиченим твердим розчином впровадження вуглецю в α - Fe: вміст вуглецю в мартенсит може бути таким же, як і в початковому аустеніті, тобто може досягти 2,14%.
Мартенситне перетворення відбувається тільки в тому випадку, якщо швидким охолодженням аустеніт переохолоджуючи до низьких температур, при яких дифузійні процеси стають неможливими. Мартенситне перетворення носить бездіффузіонний характер, тобто не супроводжується дифузійним перерозподілом атомів вуглецю і заліза в решітці аустеніту.
Мартенситне перетворення здійснюється шляхом зсуву і не супроводжується зміною складу твердого розчину. Сдвиговой механізм перетворення відрізняється закономірним кооперативним спрямованим зміщенням атомів в процесі перебудови решітки. Окремі атоми зміщуються один відносно одного на відстані, що не перевищують міжатомні.
Поки на кордоні мартенситу і аустеніту існує спряженість решіток (когерентність), швидкість утворення і росту кристалів мартенситу дуже висока (~ 1000 м / с).
Внаслідок різниці питомих обсягів мартенситу і аустеніту збільшуються пружні напруги в області когерентного сполучення, що, в кінцевому рахунку, призводить до пластичної деформації та утворення міжфазної кордону з неупорядкованим розташуванням атомів.
При переохолодженні аустеніту до температури, відповідної точці М Н (М S в іноземній літературі) аустеніт перетворюється у мартенсит. Таким чином, М H - температура початку мартенситного перетворення. Якщо безперервне охолодження стали припинити, то перетворення зупиниться. Чим нижче охолодити аустеніт, тим більше утворюється мартенситу.
За досягнення визначеної для кожної стали температури (M K) перетворення аустеніту в мартенсит припиняється. Цю температуру закінчення мартенситного перетворення позначають M K. Положення M H і M K не залежить від швидкості охолодження, а обумовлено хімічним складом аустеніту: чим більше в аустеніт вуглецю, тим нижче M H і M K. Всі леговані елементи, розчинені в аустеніт, за винятком Co і Al, знижують M H і M K (рис.1).
Якщо затримати на деякий час охолодження при температурі, що лежить нижче температури, відповідної M H, наприклад 20єC, то, аустеніт, що зберігся не перетворення при охолодженні до цієї температури, стає стійким (А ост). Це явище стабілізації проявляється більш сильно в інтервалі температур M H ... M K і залежить від температури, при якій затрималося охолодження. Температура, нижче якої виявляється цей ефект стабілізації, позначається M С.
1.1Мартенсітно - старіючі сталі.
Мартенситно - старіючі сталі є сплави Fe з Ni (8-20% мас.), А часто і з Co. Для протікання процесу старіння в мартенсит, сплави додатково легують Ti, Al, Mo, та іншими елементами. Висока міцність мартенситно-старіючих сталей зобов'язана утворення твердого розчину Fe і легуючих елементів (Ni, Co, Mo, Al та інші), мартенситного перетворення, що супроводжується фазовим наклепом і, головним чином, старіння мартенситу, при якому відбувається утворення сегрегації, метастабільних і стабільних фаз типу Fe3 Mo, Ni3 Mo, Ni3 Ti, Ni Al та інших. Високий опір крихкому руйнуванню пояснюється пластичністю і в'язкістю без вуглецевого мартенситу ("мартенсит заміщення").Широке застосування в техніці отримала високоміцна мартенситно-старіюча сталь Н18К9 М5Т (≤ 0,03% С, ~ 18% Ni, ~ 9% Co, ~ 5% Mo, ~ 0,6% Ti).
Сталь гартують на повітрі від 820-850єС. Після гарту, сталь складається з безвуглецевий масивного (рейкової) мартенситу, що має поряд з низькою міцністю хороші пластичність і в'язкість: σ 0.2 = 950 ... 1100 МПа; σ в = 1100 ... 1200Мпа; δ = 18 ... 20%; ψ = 70 ... 80 %; і KCU = 2,0 ... 2,5 МДж / м 2. Таким чином, характерною особливістю безвуглецевий мартенситу є високе значення пластичності і в'язкості. У загартованому стані мартенситно-старіючі сталі, легко обробляються різанням, добре зварюються.
Старіння при 480-520єС підвищує міцність мартенситно-старіючих сталей, але знижує пластичність і в'язкість. Механічні властивості після старіння:
σ 0.2 = 1800 ... 2000 МПа; σ в = 1900 ... 2100 МПа; δ = 8 ... 12%; ψ = 40 ... 60%; KCU = 0,4 ... 0,6 МДж / м 2; HRС = 52.
Крім стали Н18К8М5Т знайшли застосування менш леговані мартенситно-старіючі сталі: Н12К9М3Г2, Н10Х11М2Т і т.д.
Мартенситно-старіючі сталі після загартування і старіння мають питому в'язкість того ж порядку що й інші високоміцні сталі (KCU = 0,35 ... 0,6 МДж / м 2). Однак поріг холодноламкості у мартенситно-старіючих сталей на 60 ... 80K нижче, а робота розповсюдження тріщини КСТ значно вище, ніж у вуглецевих високоміцних сталей (0,25 ... 0,3 МДж / м 2 замість 0,06 ... 0,08 МДж / м 2). В'язкість руйнування у мартенситно-старіючих сталей при σ в = 1800 ... 2000 МПа складає 50 ... 70 МПа · м в ступені (1 / 2), тоді як у вуглецевомістких легованих сталей при тому ж значенні σ 0.2 = 20 ... 30 МПа · м 1 / 2.
Мартенситно-старіючі сталі, мають високу межу пружності, тому можуть застосовуватися для виготовлення пружин. При низьких температурах міцнісні властивості, як зазвичай, зростає, але при збереженні підвищеної пластичності і в'язкості, що дозволяє їх використовувати при низьких температурах. Ці сталі з 11-12% Cr відносяться до корозійно-стійким. Їх застосовують в авіаційній промисловості, в ракетній техніці, суднобудуванні, приладобудуванні для пружних елементів, у кріогенній техніці і т.д. Але ці стали дорогі.
1.2. Високоміцні сталі з високою пластичністю.
Метастабільні високоміцні аустенітні стали називають ТRIP - сталями (TRIP - від початкових літер слів Transformation Induced Plasticity) або ПНП - сталями (пластичність, наведена перетворенням). Ці сталі містять 8 ... 14% Cr, 8 ... 32% Ni, 0,5 ... 2,5% Mn, 2 ... 6% Mo, до 2% Si. Приклад марочного складу: 30Х9Н8М4Г2С2, 25Н25М4Г1. Відмінною особливістю сталей є те, що після аустенізації при 980 ... 1200єС температури мартенситного перетворення М Н і М Д (початок утворення мартенситу деформації), знаходяться нижче 20єС, тобто сталі мають аустенітних структуру.
Для додання стали високих механічних властивостей після аустенізації її піддають 80%-ної деформації (прокатка, волочіння, гідроекструзії і т.д.) при 250 ... 550єС (нижче температури рекристалізації). При деформації аустеніт зазнає наклеп і збіднюється вуглецем, що призводить до підвищення точок М Н і М Д. При цьому точка М Д стає вище 20єС. При охолодженні, отже, аустеніт стає метастабільним і при його подальшому деформуванні відбувається мартенситне перетворення. Тому при випробуванні на розтяг ділянки аустеніту, де локалізується деформація, зазнають мартенситне перетворення, що приводить до місцевого зміцнення, і деформація зосереджується в сусідніх (неупрочненних) обсягах аустеніту. Отже, перетворення аустеніту в мартенсит виключає можливість утворення "шийки", що пояснює високу пластичність ПНП-сталей.
Механічні властивості ПНП-сталей:
σ 0.2 = 1400 ... 1500 МПа; σ в = 1500 ... 1700 МПа; δ = 50 ... 60%.
Характерним для цієї групи сталей є високе значення в'язкості руйнування і межі витривалості σ -1. При однаковій або близькою міцності ПНП-сталі пластічнєє, а при рівній пластичності мають більш високу межу текучості, ніж мартенситно-старіючі сталі або леговані високоміцні сталі.
Широкому застосуванню ПНП-сталей перешкоджає їх висока легування, необхідність використання потужного устаткування для деформації при порівняно низьких температурах, труднощі зварювання, анізотропія властивостей деформованого металу і т.д.
Ці сталі, використовують для виготовлення високонавантажених деталей: дроту, тросів, кріпильних деталей та ін