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

И.Н. БОГАЧЕВ, В.Ф. ЕГОЛАЕВ

СТРУКТУРА И СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ

СПЛАВОВ

!Гос. гг и -ччная

свойства и практическое применение аустенитных спла­ вов Fe—Mn.

Значительное внимание уделено влиянию легирующих элементов, фазовым превращениям, пластической дефор­ мации и их взаимодействию. Рассмотрены особенности мартенситного превращения. На основе анализа поведе­

Fe—Mn. Обсуждены особенности нержавеющих, кавитациопностойкнх и износостойких сталей. Книга предназна­ чена для научных и инженерно-технических работников, может быть полезна студентам вузов. Ил. 128. Табл. 26. Список лит.: 154 назв.

(g) Издательство «Металлургия», 1973.

0311-140

91-73

040(01)—73

ПРЕДИСЛОВИЕ

Разработка и изучение сплавов железа с марганцем началось очень давно (почти 100 лет тому назад). В ре­ зультате исследования ряда сталей, легированных мар­ ганцем, в 1882 г. была разработана высокоуглеродистая сталь с 13—14% Мп — сталь ЛГ13 (сталь Гадфильда). Эта сталь до настоящего времени применяется в услови­ ях ударного износа, главным образом для железнодо­ рожных крестовин и шаровых мельниц.

Изучение фазовых превращений и их особенностей в сталях, легированных марганцем, значительно отстало от практики применения сталей, и только в конце первой четверти нашего столетия при исследовании превращений в высокомарганцевых сталях было обнаружено, помимо обычного мартенситного превращения, превращение 7—8-мартенсит. Однако фундаментальное изучение этого превращения, так же как и практическое использование превращений аустенита с целью разработки новых спла­ вов, началось только в последние годы. Причина этого, по-видимому, заключалась в том, что недостаточно учи­ тывалось влияние легирования аустенита на особенности его превращения в мартенсит. Большее распространение получил, например, никелевый аустенитМежду тем, как показали исследования, марганцевый аустенит имеет ряд особенностей как в отношении фазовых превращений, так и при деформации и упрочнении. Кроме того, для этого аустенита характерно наличие антиферромагнитного со­ стояния.

Легирование марганцем аустенитных сталей находит все большее применение, в том числе и для сталей ответ­ ственного назначения — нержавеющих и жаропрочных. Однако наибольший интерес марганец как легирующий элемент представляет в нестабильных аустенитных ста­ лях, способных упрочняться под воздействием деформа­ ции. Нестабильные аустенитные стали на основе марган­ ца или Сг—Мп вследствие благоприятного сочетания прочности и пластичности являются весьма перспектив­ ными материалами для современной техники.

Нашей задачей являлось систематическое изучение сплавов Fe—Мп с целью использования особенностей этих сталей в практике при особых видах нагружения.

При создании этой книги использованы главным обра­ зом результаты исследований, проведенных в Проблем­ ной лаборатории металловедения Уральского политехни­ ческого института им. С. М. Кирова, а также литератур­ ные данные.

Железомарганцевые стали являлись и являются од­ ним из главных объектов исследований, проводимых в Проблемной лаборатории металловедения. На основе этих исследований разработан ряд новых марок сталей.

Многие работы, помимо основных работников лабо­ ратории, проводили аспиранты и студенты-дипломники.

Значительный вклад в изучение фазовых превраще­ ний и свойств сплавов Fe—Мп внесен аспирантами

Л.С. Ершовой, А. Ф. Сачавским, Л. С. Малиновым,

В.Ф. Еголаевым, Л. Д. Чумаковой и др. Большой вклад

всоздание этой книги был сделан В. Ф. Еголаевым, вне­ запная смерть которого прервала эту работу; данная книга посвящается его светлой памяти.

Отдельные разделы дорабатывались или были напи­ саны Л. П. Житовой, Т. Л- Фроловой, М. А. Филипповым, Т. Д. Эйсмондт.

* Марганец как легирующий элемент представляет зна­ чительный интерес для Fe — С сплавов. Особенно ценна его способность к аустенитообразовапию при слабом карбидообразующем действии.

Однако до настоящего времени применение марганца ограничено. В лучшем случае его рассматривают только как заменитель никеля, между тем марганец сам по себе может обеспечить такие свойства, которых нельзя до­ стигнуть при легировании другими элементами. Такими свойствами являются упрочнение при пластической де­ формации и фазовых переходах, которые для марганце­ вых сплавов обладают рядом специфических особенно­ стей. Это относится главным образом к высоколегиро­ ванным сталям. Классическая сталь Гадфильда (Г13Л), содержащая 13% Мп при 1% С, по отношению к удар­ ному износу является уникальной; ее используют в те­

чение десятилетий и пока не нашли равноценных заме­ нителей.

Нестабильные аустенитные стали, содержащие до 10% Мп, представляют значительный интерес при сопро­ тивлении микроударному нагружению (кавитационное воздействие и многократный удар).

Нестабильные стали этого типа способны изменять свои свойства при нагружении, в том числе и пластич­ ность, вследствие протекающих превращений. Такое по­ ведение характерно для нестабильных сталей, которые в последние годы получили за рубежом название трипсталей (сталей, пластичность которых вызвана превра­ щениями). Легирование марганцем сталей этого типа, по нашему мнению, более перспективно, чем легирование никелем. В ряде случаев при особых видах нагружения эти стали по своим свойствам могут конкурировать с мар- тенситно-стареющими сталями.

Все приведенные соображения относятся к высоколе­ гированным сталям.

Некоторые недостатки, свойственные марганцевым сталям, служили причиной задержки в их разработке и применении. Однако такие недостатки, как слабое соп­ ротивление окислению при повышенных температурах и воздействии агрессивных сред, могут быть преодолены за счет рационального легирования марганцевых сталей другими элементами. Данное обстоятельство указывает

на необходимость пересмотра отношения к марганцу как к легирующему элементу, на базе глубокого изучения сплавов Fe — Mn, особенностей их фазовых превраще­ ний и образующихся в них структур, тем более что уже показано, что марганец может придавать сталям особые свойства, которые либо не могут быть вызваны другими элементами, либо могут быть вызваны в меньшей степе­ ни. Подобный подход не только позволяет рассматривать марганец как заменитель никеля, но и дает возможность найти рациональную область применения марганцевых сталей и расширить их ассортимент для различных от­ раслей техники.

В настоящей книге рассмотрены результаты изучения фазовых превращений, особенностей упрочнения и физи­ ко-механических свойств Fe — Mn аустенитных сталей и сплавов-в широком диапазоне концентраций марганца (до 40%).

Содержание углерода, если оно не оговорено, нахо­ дится в пределах 0,05—0,07%; содержание остальных примесей также мало. В тексте принята обобщенная маркировка по содержанию главных элементов.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ И ФАЗОВЫЙ с о с т а в

1. Система Fe— Mn

Диаграмму состояния системы Fe — Mn изучали не­ однократно. Результаты большинства работ обобщены в обзорах А. Е. Вола, А. Г. Григорьева, Хансена и др. [1—3]. Однако до сих пор не удалось построить полную диаграмму равновесия этой системы. Если верхняя ее часть (высокотемпературная область) в какой-то степе­ ни достоверна, то достоверность в нижней части (область превращений в твердом состоянии) равновесной диаг­ раммы невелика. Причина заключается в том, что даже при, длительном протекании фазовых превращений рав­ новесие системы не достигается вследствие замедленной диффузии марганца в а- и у-твердых растворах.

Диаграмма состояния (рис. 1) представлена в наибо­ лее распространенном варианте; она как бы делится на две части. Со стороны железа диаграмма очень проста. При 1473° С наблюдается перитектическое равновесие: б-раствор (9,5% Мп), жидкость (13% Мп) и у-раствор; ниже лежит широкая область у-раствора (рис. 1 , а).

Марганец принадлежит к немногим легирующим эле­ ментам, расширяющим область существования у-раство­ ра в сплавах железа. При повышении содержания мар­ ганца резко понижается температура превращения у->а, которая при 30% Мп равна примерно 400°С. При этих температуре и концентрации в равновесии находится у-раствор (30% Мп) и а-раствор (3,3% Мп). Как было указано выше, нижняя часть диаграммы недостоверна, так как равновесия практически не удалось достигнуть. Кроме того, результаты различных исследований этой об­ ласти диаграммы противоречивы вследствие использова­ ния материалов неодинаковой чистоты и различных ме­ тодик исследования.

Вобласти концентраций от 30 до 55% Мп у-твердый раствор после затвердевания сохраняется вплоть до ком­ натной температуры.

Вправой части диаграммы со стороны марганца так­ же имеется перитектическое равновесие при 1232° С: