Высоколегированных сталей типа ПНП и МСС стали

Термической (или комбинированной) обработки

В 1966 году учеными металловедами Закеем и Паркером были предложены стали нового типа, получившие название ПНП-стали (пластичность, наведенная превращением) или в терминологии зарубежной технической литературыТРИП-стали (transformation induced plasticify) в англо-язычной литературе.

Одним из основных принципов при их создании было использование специального уровня легирования и холодной деформации для смещения точек начала мартенситного превращения (Мн) ниже нуля, а точки начала мартенситного превращения при деформации (Мд) - до температур выше комнатной. Комбинация легирования и режимов обработки таких сталей – деформации (горячей и холодной), термической обработки (закалки; обработки холодом; старения) позволяет достигать высоких технологичности процесса и комплекса механических свойств в изделиях ответственного назначения.

Для этих сталей использовали комплексное легирование молибденом, хромом, никелем, марганцем, ванадием, ниобием, танталом, вольфрамом, кремнием, азотом и углеродом, при этом содержание каждого элемента должно быть не менее 1%. Суммарное содержание углерода и азота должно быть в пределах от 0,2 до 0,5%. Содержание углерода - минимальное от 0,05%, а максимальное обычно не превышает более 0,3%.

Традиционно используемые соcтавы ПНП-сталей содержат: С=0,2-0,3%; Cr=8-10%; Ni=8-25%; Mo=4%; Mn=1-2,5%; Si=1,5-2%

Режим обработки МСС предусматривает нагрев металла до однородного аустенитного состояния (обычно это в интервале 980-1200⁰С), выдержку, охлаждение со скоростью, не позволяющей аустениту распадаться при переохлаждении до температур ниже порога рекристаллизации (от 345⁰С - нижний предел, до 980⁰С- верхний предел порога рекристаллизации для разных сталей) и деформацию при этих температурах (обычно при ~ 450-600⁰С). Деформация может осуществляться различными способами - прокаткой, ковкой, волочением, штамповкой и др. Степень деформации должна быть не ниже 10%. При деформации аустенита в интервале температур 345⁰С-980⁰С происходит его наклеп, а превращение в мартенсит может происходить в процессе деформации (мартенсит деформации) или после нее. При этом положение точки Мд для наклепанного аустенита повышается.

По сущности процесс получения высоких значений прочности и пластичности в ПНП - сталях является удачным совмещением трех известных способов воздействия на металл:

-механического наклепа;

-превращения деформированного аустенита в мартенсит деформации;

-обработки холодом для g®a превращения (при необходимости);

-старения для повышения прочности.

Обычно процесс обработки ПНП-сталей рассматривается применительно к двум схемам:

1 схема -состав стали подбирается таким образом, чтобы точка Мн соответствовала комнатной температуре (т.е. аустенит при охлаждении до комнатной температуры не распадался), а температура Мд была бы выше комнатной. Сталь нагревают до аустенитного состояния, выдерживают, переохлаждают до температур выше Мд и деформируют со степенью»80%. Такая деформация повышает температуру точки Мн и Мд, поэтому при комнатной температуре в процессе деформации значительная часть аустенита превращается в мартенсит, при этом скорость наклепа металла повышается. Образование мартенсита во время деформации обеспечивает значительную пластичность металлу при высоких значениях прочности (отсюда пластичность, наведенная превращением - ПНП). Например, сталь с содержанием 0,3% С, 2% Mn, 2% Si, 9% Cr, 8,5% Ni, 4,0% Mo после прокатки при 425⁰С со степенью обжатия 80% приобретает предел прочности 1500Мпа, предел текучести 1430 Мпа, относительное удлинение 50%. После такой обработки металл возможно подвергать еще дополнительно холодной обработке, повышающей прочность, но снижающей пластичность, а также и другим обработкам - обработку холодом (до-196⁰С), отпуск (старение).

2 схема - при подборе химического состава сталей для этой обработки необходимо присутствие карбидообразующих элементов и содержание углерода»0,3%, а также такой состав стали, который обеспечивал бы положение температур точек Мн и Мд ниже комнатной. После аустенитизации на однородный твердый раствор и переохлаждения до температур 250-550⁰С сталь деформируют со степенью»80%. При деформации аустенита происходят процессы превращения аустенита в мартенсит и выпадение карбидов. Это повышает температуру точек Мн и Мд, но температура точки Мн может еще оставаться ниже комнатной, а Мд уже выше комнатной и поэтому превращение g®a в определенной мере происходит, что обеспечивает высокую прочность и пластичность металлу. Возможно, после такой обработки металл подвергать дополнительно холодной деформации со степенью обжатия до 15%. Это позволяет получать предел текучести в пределах 2000Мпа, а относительное удлинение 20-25%.

Возможно также и последующая обработка такого металла (обработка холодом) для превращения оставшегося аустенита в мартенсит при низких температурах (до -196⁰С) с последующим отпуском (старением) при»400⁰С.

При этом следует отметить, что практически для всех схем такого процесса максимум пластичности (относительного удлинения) получается при превращении 50% аустенита в мартенсит деформации.

Исследования показали закономерности общего порядка для этих сталей:

-понижение стабильности аустенита при деформации (например, за счет снижения содержания углерода) приводит к повышению предела прочности и возрастанию деформационного упрочнения, но снижает предел текучести и удлинение. А повышение стабильности аустенита сопровождается повышением предела текучести и удлинения, но снижает предел прочности и скорость деформационного упрочнения.

-если температура теплой деформации выше Мн, но близка к Мд, то в наклепанном аустените образуются плоские дефекты - вакансии, вакансионные диски, механические двойники, пластины e-мартенсита. При этом подвижность дефектов при понижении температуры металла (или приложении к нему напряжений) довольно высокая;

-если температура теплой деформации существенно выше Мд, то в структуре наблюдается образование ячеистой дислокационной субструктуры. При повышенных температурах деформации ускоряется процесс закрепления дислокаций сегрегированными атомами углерода и азота, т.е. упрочнение металла.

Трудности при реализации такого процесса термомеханической обработки ПНП-сталей привели к созданию процессов их упрочнения за счет термоциклирования (ТЦО - 5-7 циклов) без деформации (возможен вариант обработки ударными волнами). Основанием для таких процессов явились данные об упрочнении аустенита в результате фазового наклепа при g®a®g превращении.

Для реализации термоциклирования взамен ТМО необходимы следующие условия:

-достаточно большое количество мартенсита при охлаждении после ТЦО;

-температура рекристаллизации аустенита должна быть выше температуры обратного a®g превращения;

-повышение точки Мд в процессе охлаждения после термоциклирования;

-существенное упрочнение аустенита при термоциклировании, сравнимое с ТМО.

Недостатки процесса:

-высокая стоимость высоколегированных ПНП-сталей, кроме того они обладают худшей коррозионной стойкостью по сравнению со сталями с 17% хрома;

-трудность точного контроля состава стали для реализации необходимых характеристик g®a превращения;

-для достижения высокого комплекса свойств в таких сталях при реализации ТМО необходимо обязательно мощное деформирующее оборудование;

-ограничение по сортаменту изделий – чаще всего это может быть лист или проволока.

Область применения ПНП-сталей - корпуса ракет, высокопрочный крепеж, хирургический инструмент, броня, высокопрочный кабель или проволока.

Литература:

Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М: Металлургия, 1977.-с.234-246

Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. Пер.с англ., М: Металлургия, 1982.-с.119-121

МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ (МСС)

Дата добавления: 2014-10-23