Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситног
..pdfвлияния образуются пики напряжений, приводящие к об разованию холодных трещин.
Рассмотрим теоретические предпосылки создания НМС. Углерод является наиболее экономичным элемен том для повышения прочности стали, но повышение его содержания вызывает ряд нежелательных следствий. Сдвиговые кооперативные превращения (мартенситное, бейнитное) при наличии углерода создают высокий уро вень внутренних напряжений. Закрепление дислокаций атомами углерода или карбидами затрудняет релаксацию напряжений, что в свою очередь понижает ударную вяз кость, повышает Ткр и облегчает возникновение закалоч ных трещин. По мере роста содержания углерода увели чиваются объемные изменения при охлаждении, а это вызывает коробление и поводки, необходимость правки.
В низколегированных* сталях при содержании угле рода выше 0,13-0,20% в температурных интервалах 500-300 °С избежать бейнитное превращение при отно сительно невысокой скорости охлаждения невозможно, в результате чего ограничивается прокаливаемость, по вышается и Значительные затруднения возникают при сварке, поскольку в зоне термического влияния образу ются малопластичный мартенсит и бейнит, приводящие к образованию холодных трещин. Поэтому свариваемые стали или стали для точных заготовок машиностроения с прочностью 1000-1200 Н/мм2были созданы на основе составов с минимальным содержанием углерода и леги рованных таким образом, чтобы получить при охлажде нии с малой скоростью (на воздухе) без закалки в жидкие среды структуру низкоуглеродистого мартенсита.
В зависимости от легирования, температуры пре вращения и скорости охлаждения полиморфное превра щение у—*а может происходить по двум различным механизмам - «нормальному», неупорядоченному, самодиффузионному переходу с образованием полигонально го феррита с малой плотностью дислокаций или мартен
ситному с характерной субструктурой «пакетного» мар тенсита и плотностью дислокаций более Ю10 см-2
Продолжительность инкубационного периода и вре мя полупревращения аустенита при температурах «нор мального» у— перехода находятся в качественном соот ветствии с характеристиками граничной самодиффузии железа. Энергия активации граничной самодиффузии же леза, содержащего 0,04 % С, составляет ~ 26 ккал/г-атом, а при легировании Сг (7 %) и Ni (2 %) составляет при мерно 40 ккал/г-атом, соответственно время 5%-ного пре вращения у-фазы менее 1 с и 720 с. С другой стороны, при неизменном легировании (7 % Сг и 2 % Ni) энергия акти вации граничной самодиффузии железа при 0,003 % С со ставляет 33 ккал/г-атом, а при 0,04 % С - 40 ккал/г-атом [5]. Эти закономерности и необходимость устранения бейнитного превращения определяют допустимый диа пазон концентрации углерода в низкоуглеродистых мар тенситных сталях, в большинстве случаев от 0,04 до 0,12 %. Приведенные данные послужили основанием для разработки НМС [2, 4-7]. Важной особенностью этих сталей является отсутствие превращения в области тем пературы, соответствующей образованию верхнего бейнита(рис. 1.1). Температура мартенситного превращения
Рис. 1.1. Диаграммы изотермического превращения (схема): — для НМС;
— для среднеуглеродистых сталей
почти на 100 °С выше, чем Мн у среднеуглеродистых сталей (400 °С - для 07ХЗГНМ, 08Х2Г2Ф, 12Х2Г2НМФ и 300 °С - для 35XH3M).
Высокая устойчивость аустенита в области «нор мального» (перлитного) превращения, отсутствие верх него бейнита, слабая зависимость вязкости от величины зерна, высокая температура мартенситного превращения М„, обеспечивающая отпуск в ходе охлаждения, способ ствуют формированию при медленном охлаждении структуры низкоуглеродистого мартенсита, гарантирую щей благоприятное сочетание характеристик прочности, пластичности и вязкости.
Структура НМС представляет собой пакетный мар тенсит: тонкие реечные кристаллы, разделенные малоуг ловыми границами и содержащие дислокации, плотность которых составляет 1010~|2см~2, определяют механические свойства закаленной стали. Высокая плотность дислока ций обеспечивает прочность а0,2 выше 800-1200 Н/мм2, а их подвижность - релаксацию напряжений, возникаю щих в ходе деформации, следовательно, пластичность и вязкость. В структуре отсутствуют перлит и верхний бейнит, повышающие склонность к хрупкому разру шению.
Высокая температура мартенситного превращения (380-420 °С) способствует релаксации напряжений в хо де охлаждения. Малый объемный эффект при у—кх пре вращении, обусловленный малым содержанием углерода, низкие тепловые напряжения, возникающие при медлен ном охлаждении на воздухе, обеспечивают бездеформационную закалку, устраняют опасность возникновения трещин. Склонность к деформации в 5-10 раз ниже, чем у сталей, содержащих 0,3-0,4 % углерода. Эти же факто ры обусловливают хорошую свариваемость.
Сочетание легирующих элементов определяется за данной прокаливаемостью, т.е. устойчивостью аустенита (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Влияние концентрации хрома на устойчивость аустенита при темпера туре минимальной устойчивости в «нор мальной» области для сталей, содержа щих в %: 0,06-0,10 С, и добавки 2 Мп (/); 2 Ni (2); 3 Мп (3); 2 Ni и 0,8 Мо (4); 1 Ni
и 0,8 Мо (5); INi (6)
Особенности структурного состояния и фазового превращения делают целесообразным применение НМС для изготовления термоупрочненной продукции на ме таллургических заводах, в металлургическом производ стве машиностроительных заводов и для высокопрочных сварных конструкций.
1.2.Совмещенный процесс формообразования
сзакалкой
Стремление получить термоупрочненный прокат с минимальными затратами в металлургическом произ водстве вполне естественно. Исследования в основном направлены на изучение влияния термодеформационных параметров на структуру и свойства традиционных кон струкционных легированных сталей. В результате разра
ботаны различные виды совмещенной обработки давле нием с закалкой.
Известные процессы термомеханической обработки и контролируемой прокатки весьма эффективны, но не нашли широкого применения из-за необходимости больших капитальных затрат на оборудование и трудно сти их реализации в связи с ограничением температурно деформационных параметров. Возникшие ограничения обусловлены свойствами традиционных конструкцион ных сталей типа 12Х2НМФ, 35Х2Н2М, 35ХНЗМФ. Сформированная структура после горячей деформации в широком интервале температур, характерном для ме таллургического производства проката и заготовок, существенно зависит от величины деформации. В ре зультате образуется гетерогенная структура на фоне разнозернистости. Наименее работоспособна сложная структура верхнего бейнита. Она содержит низкоуглеро дистый мартенсит, карбиды, преимущественно располо женные по границам зерен, мартенсит с повышенным содержанием углерода относительно среднего содержа ния, остаточный аустенит, который может распадаться от воздействия рабочих напряжений, образуя высокоугле родистый мартенсит. Известно, что верхний бейнит с та кой структурой существенно повышает критическую температуру хрупкости [4]. Для предотвращения образо вания такой структуры ограничивают интервал темпера туры и величины горячей деформации и проводят охла ждение с повышенной скоростью, как правило, в воде. В результате возникают остаточные напряжения, приво дящие к короблению и деформации.
НМС, свободные от присущих среднеуглеродистым конструкционным сталям недостатков, нашли широкое применение в 80-90-х гг. в специальном и общем маши ностроении. Стали типа 07ХЗГНМ и 08Х2Г2Ф содержат менее 0,12 % углерода и такое сочетание легирующих элементов, которое обеспечивает высокую устойчивость
аустенита и мартенситное превращение при медленном охлаждении на воздухе.
Важной особенностью этих сталей является отсут ствие превращения в области температур, соответст вующей образованию верхнего бейнита. Температура мартенситного превращения почти на 100 °С выше Мн среднеуглеродистых сталей (400 °С для 07X3ГНМ
и08Х2Г2Ф и 300 °С для 35XH3M). Высокая устойчи вость аустенита в области «нормального» (перлитного) превращения, отсутствие верхнего бейнита, слабая зави симость вязкости от величины зерна, высокая температу ра мартенситного превращения М„, обеспечивающая от пуск в ходе охлаждения, способствуют формированию при медленном охлаждении структуры низкоуглероди стого пакетного мартенсита, гарантирующей благопри ятное сочетание характеристик прочности, пластичности
ивязкости, обусловленное природой НМ. Неотпущенный низкоуглеродистый мартенсит в твердом растворе содержит около 0,10 % С, что соответствует отпуску при температуре до 500 °С.
НМС хорошо обрабатываются давлением в холод ном состоянии. Это обусловлено низким коэффициентом деформационного упрочнения К = 1,05... 1,15 и высокой пластичностью в термоупрочненном состоянии, что по зволяет увеличить величину деформации за один проход, следовательно, уменьшить число проходов при холодной деформации.
Для определения конкретных температурно-дефор мационных параметров исследовали влияние деформа ции на устойчивость аустенита в области около М„, на размер зерна и ударную вязкость [8- 11] (рис. 1.3).
Деформация на 80 % малоуглеродистой стали 10ХЗГНМ повышает устойчивость аустенита в области бейнитного превращения, увеличивая инкубационный период с 3 до 7 мин, а в стали, содержащей 0,35 % (35ХЗГНМ), ускоряет бейнитное превращение, уменьшая инкубационный период с 2,2 до 1,5 мин.
10 |
8 |
6 |
4 № зерна |
Рис. 1.3. Влияние величины зерна на ударную вязкость НМС и стали 35XH3M при ов =
= 1000 МПа. Деформация: 0 - 8 0 %, □ - 40 %;
Гдеф= 1250-1050 °С
Такое влияние деформации можно объяснить тем, что при малом содержании углерода контролирующим процессом является мартенситное превращение, которое, как известно, при больших деформациях замедляется; ему предшествует кратковременный инкубационный пе риод, в течение которого релаксируют напряжения при относительно высокой температуре Мн и происходит не значительное перераспределение углерода, не приводя щее к образованию карбидов. В результате формируется мартенситная структура [12].
В среднеуглеродистых сталях большая деформация вызывает ускорение бейнитного превращения, посколь ку процесс контролируется скоростью перераспреде ления углерода, которая увеличивается в результате де формации, что приводит к формированию бейнитной структуры.
Исследование влияния температуры конца ( Г КОн) де формации показало, что в стали 07X3ГНМ при Ткон = = 900... 1050 °С и деформации на 40-90 % обеспечиваются размер зерна не выше 4-го номера по шкале ГОСТ 5639 (0,0788 мм), структура низкоуглеродистого мартенсита (обеспечивается охлаждением на воздухе с прокатного нагрева), ударная вязкость более 120 Дж/см2, прочность с в= 1000...1200 Н/мм2.
Применение НМС позволяет по-новому решить за дачу термического упрочнения проката и других видов полуфабриката, получаемого горячей обработкой давле нием. Закаливаемость на воздухе позволяет осуществить в действующем потоке металлургического производства проката совмещенный процесс формообразования с за калкой без применения жидких охлаждающих сред. Ста новится возможно экономичным и простым путем на существующем оборудовании без капитальных затрат создать экологически чистый технологический процесс изготовления термоупрочненного проката с прочностью 1000-1200 Н/мм2 и высокими характеристиками пла стичности и вязкости. Структура и свойства насосно компрессорных труб из НМС (см. гл. 5) соответствуют стандартам РФ И США [13, 14].
Специальное исследование коррозионной стойко сти насосно-компресорных труб в сравнении с импорт ными показало, что в углекислотосодержащих сре дах НМС имеют скорость коррозии в 2,5 (07ХЗГНМЮА) и 1,5 (08Х2Г2Ф) раза меньшую, чем применяемые сейчас С95 и С75 (табл. 1.1).
Новые НМС 12Х2Г2НМФТ, 07ХЗГНМЮА, 08Х2Г2ФА и технологические процессы освоены также при изготовлении термоупрочненного листового и сор тового проката [13], насосных штанг (ТУ 3-РГ. 104-95). Во всех случаях получена однородная мартенситная структура, отсутствовали окалина и склонность к обезуг лероживанию.
Таблица 1.1
Результаты сравнительных исследований коррозионной стойкости образцов сталей для насосно-компресорных труб отечественного и импортного производства
|
Прочность |
Скорость коррозии, мм/год |
|||
Марка стали |
|
Со,2 |
Среда 1 |
Среда 2 |
|
|
Н/мм2 |
50 °С |
22 °С |
О |
|
|
—100 t/l О |
||||
07ХЗГНМЮА |
750 |
650 |
0,59 |
0,37 |
4868 |
С75 |
740 |
670 |
1,91 |
0,96 |
- |
08Х2Г2Ф |
850 |
740 |
1,2 |
0,44 |
5018 |
С95 |
800 |
720 |
1,59 |
0,60 |
9044 |
Примечание. Среда 1 - 5 % р-р NaCl в деарированной дистиллированной воде, насыщенной С02. Среда 2 - р-р H2SO4 и Na2Cr207 в дистиллированной воде. Состав С75 и С95 - со гласно стандарту API-5ST.
Таким образом, новая экологически чистая техноло гия совмещенного горячего формообразования с после дующей закалкой охлаждением на воздухе может быть использована при изготовлении термоупрочненного по луфабриката на любом металлургическом заводе. Она не требует применения специальных нагревательных, охла ждающих устройств и экологически вредных жидких за калочных сред.
Контрольные вопросы к главе 1
1.Принципы легирования и особенности строения низкоуглеродистого мартенсита.
2.Концентрации углерода в конструкционных ста лях и его влияние на «нормальное» и бейнитное превра щения.
3.Структура традиционных сталей типа 12Х2НМФ, 35Х2Н2М, 35ХНЗМФ, формирующаяся после горячей деформации в широком интервале температур.
4.Технологические и экономические преимущест
ва НМС.
Глава 2. КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ НМ
Известны две группы низкоуглеродистых конструк ционных сталей мартенситного класса, в которых воз можно получение мартенситной структуры в процессе замедленного охлаждения: мартенситостареющие стали (МСС) и низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС). МСС - это высокочистые, высоколегированные и поэто му весьма дорогие сплавы, использование которых целе сообразно при требуемом уровне прочности не менее 1400 МПа, а прочность традиционных НМС, созданных в 90-х гг. XX века, не превышала 1000 МПа. В настоящее время достигнута прочность 1200-1400 МПа, применяе мых в промышленности экономнолегированных низко углеродистых сталей.
Наиболее реальным и экономичным путем решения этой проблемы является повышение прочности НМС за счет некоторого увеличения содержания углерода: с 0,07-0,08 до 0,12-0,15 %. В то же время этот путь явля ется наиболее рискованным, поскольку повышение со держания углерода может привести к активизации бейнитного превращения. Появление бейнитной структуры приводит к снижению прочности, трещиностойкости
итехнологичности низкоуглеродистых сталей.
2.1.Формирование структуры
имеханические свойства НМС в изотермических условиях
Впрактике термической обработки основным и са мым простым видом охлаждения с температур аустени тизации, обеспечивающим требуемый комплекс свойств, является непрерывное охлаждение в различных закалоч ных средах и в том числе охлаждение на воздухе. В зави симости от химического состава стали и скорости охла ждения в изделиях (заготовках), проходящих при охлаж дении все температурные интервалы превращения переохлажденного аустенита, формируется спектр струк