2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

пературы начала мартенситного превращения (Мн = 500 оС) является одной из особенностей стали 07Х3ГНМ. С одной стороны, в условиях конкуренции между бейнитным и мартенситным превращениями высокая температура Мн благоприятствует реализации именно мартенситного превращения. В структуре не выявлены бейнитные составляющие (рис. 4.8). С другой стороны, медленное охлаждение свежеполученного мартенсита открывает возможность, для того чтобы при высоких температурах (350–500 °С) протекали процессы самоотпуска, при которых выделяются карбидные фазы, которые снижают динамическую трещиностойкость (см. рис. 4.5, а). Известное снижение температуры Мн может уменьшить эффект указанного охрупчивания.

Рис. 4.7. Микроструктура (а, б) и тонкая структура (в, г) стали 08Х2Г2ФБ после охлаждения со скоростями 0,15 град/с (а, в) и 0,0044 град/с (б, г)

Рис. 4.8. Микроструктура (а, б) и тонкая структура (в, г) стали 07Х3ГНМ после охлаждения со скоростями 3,5 град/с (а, в) и 0,15 град/с (б, г)

311

В стали 15Х2ГМФ, хотя и присутствуют все легирующие элементы, необходимые при разработке НМС, как например в стали 12Х2Г2НМФТ, но их содержание таково, что структура пакетного мартенсита образуется только после закалки в воде. Структура верхнего бейнита появляется после охлаждения на воздухе со скоростью 3,5 °C/с. Еще при более низких скоростях образуется феррит + ферритокарбидная смесь (рис. 4.9 и 4.10). С уменьшением скорости охлаждения прочностные характеристики стали 15Х2ГМФ непрерывно снижаются, при этом динамическая трещиностойкость находится на низком уровне и не повышается при падении предела текучести до

σ0,2 ≈ 600 МПа (см. рис. 4.5).

Рис. 4.9. Микроструктура стали 15Х2ГМФ после охлаждения со скоростями 150 град/с (а), 3,5 град/с (б), 0,15 град/с (в)

и 0,035 град/с (г). ×1600

Рис. 4.10. Тонкая структура бейнита стали 15Х2ГМФ после охлаждения со скоростью 3,5 град/с: а–в – светлое поле;

г – темнопольное изображение в рефлексе цементита

312

Проведенный анализ дает возможность сформулировать принципиальные подходы к определению химического состава НМС с повышенными прочностными характеристиками и хорошей трещиностойкостью, которые обеспечиваются получением пакетного мартенсита при медленном охлаждении:

1.В твердом растворе необходимо присутствие карбидообразующих элементов с постепенно повышающейся склонностью к карбидообразованию. При этом с повышением их карбидообразующей способности концентрация этих элементов должна снижаться в определенной пропорции.

2.Температурный интервал мартенситного превращения (Мн – Мк) должен быть таким, чтобы избежать, с одной стороны, появления пластинчатого мартенсита, а с другой – не допустить активного протекания процессов отпуска свежеполученного мартенсита.

4.2. Конструкционная вязкость НМС

Как уже было отмечено, увеличение в НМС содержания углерода до 0,12–0,15 % является наиболее простым способом повышения их прочности. Однако повышенное содержание углерода может увеличить склонность низколегированных сталей с мартенситной структурой к хрупкому разрушению. В связи с этим обстоятельством проведена сравнительная оценка хладостойкости различных групп НМС и бейнитной стали 15Х2ГМФ на основании сериальных зависимостей ударной вязкости (рис. 4.11) и процента вязкой составляющей (В, %) в изломе (рис. 4.12) с последующим определением критической температуры (табл. 4.3) по 50 % доле волокна

в излома – критерий (Tê50â ).

На основании данных, представленных в табл. 4.3, построена диаграмма конструкционной вязкости, показывающая связь между

прочностью сталей и критической температурой Tê50â . На этой диа-

грамме (рис. 4.13) экспериментальные точки, соответствующие одним и тем же структурным состояниям, объединены в отдельные области.

313

Рис. 4.11. Сериальные кривые ударной вязкости исследуемых сталей после охлаждения со скоростями 3,5 град/с (а), 0,15 град/с (б) и 0,0044 град/с (в)

314

Рис. 4.12. Сериальные кривые доли волокна в изломе для исследуемых сталей после охлаждения со скоростями 3,5 град/с (а),

0,15 град/с (б) и 0,0044 град/с (в)

315

Таблица 4.3 Прочность и хладостойкость НМС и стали 15Х2ГМФ

Из анализа диаграммы конструкционной вязкости следует, что структура низкоуглеродистого пакетного мартенсита обеспечивает наилучшее сочетание прочности и хладостойкости: σ0,2 = 900…1100 МПа

и Tê50â = – 45…–65 °С.

Формирование в структуре пакетного мартенсита в результате самоотпуска при медленном охлаждении дисперсных карбидных частиц является причиной снижения хладостойкости, которое прояв-

ляется в повышении критической температуры Tê50â . При этом проч-

ность практически не снижается (область отпущенного мартенсита на рис. 4.13).

Рис. 4.13. Диаграмма конструкционной вязкости НМС и стали 15Х2ГМФ с нанесенной на нее картой структурных составляющих

316

Структура нижнего бейнита приводит к еще более чувствительному охрупчиванию. При этом прочность не снижается (область нижнего бейнита на рис. 4.13).

Структура верхнего бейнита является причиной снижения как предела текучести до 600–650 МПа, так и повышения критической

температуры Tê50â до 20 °С по сравнению с такой же температурой

для нижнего бейнита (см. область верхнего бейнита на рис. 4.13). Наихудшими, естественно, являются результаты, полученные

для сталей, структура которых состоит из феррита и ферритокарбидной смеси (ФСК). Они занимают область с наиболее высокими критическими температурами и наиболее низкими прочностными свойствами (область Ф+ФКС на рис. 4.13).

На рис. 4.14, по нашим и литературным [197–199] данным, сделана попытка составить в более обобщенном виде диаграммы конструкционной вязкости строительных и конструкционных сталей. Очевидно, что по комплексу свойств «прочность–хладостойкость» с НМС могут конкурировать только вновь разработанные бейнитные стали 12Г2СМФ и 13ХСНМД, но для этих сталей свойства, близкие к свойствам НМС, достигаются только в сечениях 10–15 мм после закалки от температуры прокатки с последующим высокотемпературнымотпуском.

Рис. 4.14. Обобщенная диаграмма конструкционной вязкости строительных сталей и НМС: 1 – стали типа Ст.3 г/к; 2 – стали типа 09Г2С и 12Г2С г/к; 3 – стали типа 14Г2АФ и 16Г2АФ г/к; 4 – стали типа 14Х2ГМР г/к, стали типа 12Г2СМФ, 13ХГСНМД после закалки с прокатного нагрева в воде и высокого отпуска в сечении 20 = 25 мм; отдельные точки – НМС после

охлаждения с прокатного нагрева на воздухе в сечении до 500 мм

317

Из вышесказанного следует, что по уровню прочности, хладостойкости, технологичности и стоимости НМС не имеют конкурентов среди современных сталей.

4.3.Влияние структурных факторов на прочность

итрещиностойкость НМС

Результаты, рассмотренные до настоящего момента, показывают, что при определенном содержании углерода при достаточно экономном легировании становится возможным обеспечить весьма благоприятную устойчивость переохлажденного низкоуглеродистого аустенита. Это позволяет реализовать структуру пакетного мартенсита в больших сечениях, и для этих целей разрабатываются так называемые низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС). Поскольку эти стали относительно новые, то сведения об их трещиностойкости в литературе практически отсутствуют. По этой причине проведено специальное исследование трещиностойкости НМС при различных видах нагружения.

4.3.1. Особенности процессов распада мартенсита при отпуске НМС

Структура НМС формируется в очень широком диапазоне скоростей охлаждения, в результате чего для достижения определенного уровня прочности и трещиностойкости очень важны превращения, которые протекают при отпуске НМС. В промышленности наиболее часто используются стали 07Х3ГНМ и 11Х3ГНМЮА. Из-за этого основные исследования проведены именно на этих сталях. Дополнительно исследованы модельные сплавы типа Х4Г2 с содержанием углерода 0,03, 0,06 и 0,10 %. Проведены электронно-микроскопи- ческие исследования, которые дают непосредственную информацию о тонкой структуре сталей. Кроме того, оценивалось изменение удельного электросопротивления, которое характеризует насыщенность твердого раствора атомами углерода.

На рис. 4.15 представлены результаты, полученные после отпуска в течение 2 часов в широком температурном диапазоне сталей типа Х4Г2 при различной концентрации углерода. При содержании углерода

318

0,03% (03Х4Г2) до 500 °С насыщенность твердого раствора углеродом практически не изменяется. В стали с 0,06 % углерода (06Х4Г2) после достижения температуры ~ 400 °С начинается слабое снижение его содержания. При содержании в сплаве 0,10 % углерода (10Х4Г2) распад твердого растворафиксируется уже после отпуска при 350 °С.

Рис. 4.15. Зависимость удельного электросопротивления от температуры (а) и длительности (б) отпуска сталей со структурой низкоуглеродистого мартенсита

319

В исследованных промышленных сталях, например стали 07Х3ГНМ, после закалки на воздухе формируется реечный мартенсит. Плотность дислокаций в рейках высока: ρ = 1010…1011 см–2. На-

блюдаются скопления, в которых отдельные дислокации не разрешаются. Это особенно характерно для областей около межреечных и межпакетных границ (рис. 4.16, а).

Рис. 4.16. Тонкая структура стали 07Х3ГНМ после закалки (а) и двухчасового отпуска при температурах 350 °С (б),

550 °С (в) и 650 °С (г)

Отпуск при 100–200 °С приводит к более равномерному распределению дислокаций, не уменьшая при этом их общей плотности.

Удельное сопротивление при отпуске при 200 °С практически не меняется даже в продолжение 60 часов (рис. 4.15, б), что является показателем сохранения одной и той же деформации кристалличе-

320