ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 9, с. 962-976
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194.56:536.424
О РОЛИ ОСТАТОЧНОГО АУСТЕНИТА В СТРУКТУРЕ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И ВЛИЯНИИ НА НЕГО ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
© 2014 г. В. М. Счастливцев, Ю. В. Калетина, Е. А. Фокина, А. Ю. Калетин
Институт физики металлов УрО РАН 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 e-mail: kaletina@imp.uran.ru Поступила в редакцию 25.02.2014 г.; в окончательном варианте — 26.03.2014 г.
Представлен обзор результатов по влиянию внешних воздействий на количество остаточного аусте-нита в сталях и сплавах. Обсуждаются и анализируются возможные способы уменьшения количества остаточного аустенита с применением обработки холодом, под действием магнитного поля и пластической деформацией, а также его влияние на механические свойства в промышленных и модельных сталях и сплавах.
Ключевые слова: остаточный аустенит, мартенсит, магнитное поле, пластическая деформация, механические свойства.
БО1: 10.7868/80015323014090101
ВВЕДЕНИЕ
Остаточный аустенит наряду с мартенситом и бейнитом является одной из главных структурных составляющих закаленной стали, которая может оказывать разностороннее влияние на ее свойства. В конце XIX века во Франции Осмонд (Osmond), изучая цементованные образцы стали после закалки, обнаружил интересную особенность в их свойствах. Так, по мере увеличения содержания углерода до 1.3 мас. %, их твердость росла, а затем, по мере дальнейшего увеличения содержания углерода, начинала уменьшаться. После тщательного исследования образцов он заключил, что структура стали состоит, по крайней мере, из двух частей. Одна из них, твердая и магнитная, была такой же, как в закаленных сталях с меньшим содержанием углерода. Другая составляющая, мягкая и немагнитная, по свойствам напоминала структуру стали Гадфильда. Несколько позднее, в 1901 году, Осмонд назвал эту составляющую закаленных высокоуглеродистых сплавов железа аустенитом в честь английского исследователя Робертс-Аустена (William Chandler Roberts-Austen) [1], который в это же время построил первую, еще несовершенную, диаграмму состояния Fe—C. К этому времени различными методами было установлено существование трех разновидностей железа, кристаллизующихся в кубической системе, но эти данные требовали весьма веских подтверждений. В 1921—1922 гг. вышли ра-
боты шведских исследователей Вестгрена (West-gren) и Фрагмена (Phragmen), в которых они рентге-ноструктурным методом определили типы кристаллических решеток феррита, аустенита и цементита. Эти исследования фактически положили конец спорам о природе фаз в железе и сталях.
В них было установлено, что аустенит имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, в отличие от феррита, который имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку. Вскоре появилась работа Курдюмова и Закса (Sachs), в которой была определена кристаллическая решетка мартенсита, а также ориентационные соотношения между аустенитом и образующимся при охлаждении мартенситом. Значительная часть металловедения железных сплавов была завершена. Но начиналась другая часть исследований. Необходимо было установить, при каких химических составах сталей и при каких режимах термической обработки при комнатной температуре может оставаться аустенит, который в этом случае получил название остаточный аустенит. Нужно было выяснить влияние остаточного аустенита на свойства сталей и его влияние на изменение свойств при последующем отпуске не только на модельных сплавах, но и на промышленных сталях, что имело важное практическое значение. Дело осложнялось тем, что в начале ХХ века подавляющую часть сталей составляли углеродистые стали. В них при охлаждении процесс превращения аустенита протекает с
большой скоростью, поэтому изучать его было достаточно сложно.
Важные результаты по влиянию скорости охлаждения и содержания углерода на количество остаточного аустенита в сталях были получены в лаборатории физического металловедения Института физики металлов под руководством Садовского, который работал в ней с 1935 по 1991 год. Но еще до переезда в Свердловск в 1933 году, в работе [2], выполненной им на Златоустовском заводе, было установлено, что "количество остаточного аустенита в закаленной стали сильно зависит от способа закалки". Его тем больше, чем меньше скорость охлаждения аустенита. Несколько позднее, в 1937 году, было показано, что содержание остаточного аустенита резко увеличивается в сталях, если содержание углерода в них превышает 0.6 мас. % С [3]. Эти данные затем были приведены в учебнике Гуляева [4, см. стр. 266, рис. 210], естественно, без ссылки на первоисточник. Вскоре была опубликована статья [5], в которой описывалось влияние легирующих элементов на положение мартенситной точки Мн и зависимости количества остаточного аустенита от содержания легирующих элементов. Эти данные приводятся в большинстве учебников по металловедению, часто также без ссылки на первоисточник. Позднее такая же участь постигла результаты работ [6, 7] по выявлению дислокационной структуры металлографическим методом. Полученные микрофотографии приведены затем в [4, стр. 31, рис. 10], опять без ссылки на первоисточник.
Содержание остаточного аустенита в конструкционных и инструментальных сталях чаще всего определяли магнитометрически, как количество парамагнитной фазы, присутствующей в ферромагнитной матрице. Это обусловлено тем, что а-фаза в сталях в любой модификации (феррит, мартенсит, бейнит) является ферромагнетиком. Цементит также, за исключением высокомарганцевых сталей, при комнатной температуре является ферромагнетиком. Зная величину намагничивания контрольного образца, заведомо не содержащего остаточного аустенита, можно было определить количество остаточного аустенита и в исследуемом образце.
Металлографическим методом наличие остаточного аустенита и его расположение можно определить лишь в высокоуглеродистых сталях, типа У10, либо в высоколегированных сплавах железа (рис. 1). Рентгеноструктурным методом можно определить количество остаточного аустенита, но не его расположение в структуре. В случае бейнитного превращения по изменениям параметров кристаллической решетки остаточного аустенита можно судить об изменении его химического состава [8, 9]. В настоящие время микрорентгеноспектральный ана-
Рис. 1. Микроструктура сплава 25Н31 после закалки
от 1200°С и охлаждения до -140°С.
лиз позволяет определять химический состав любых структурных составляющих стали, в том числе и остаточного аустенита. Электронная микроскопия дает возможность выявить расположение участков остаточного аустенита даже в том случае, когда его содержание в структуре составляет 3—5%, как, например, в закаленных среднеуглеродистых конструкционных сталях (рис. 2) [10]. Таким образом, современная экспериментальная техника позволяет получить все необходимые сведения об остаточном аустените в сталях.
В структуре закаленной стали остаточный аустенит присутствует практически всегда. Его количество может изменяться в широком диапазоне и в значительной мере определяется составом стали, зависит от положения мартенситной точки и условий охлаждения. Соотношение между количеством мартенсита и аустенита характеризуется мартенситной кривой. Наиболее сильное влияние на положение мартенситной точки и на количество остаточного аустенита оказывает растворенный в аустените углерод.
Рис. 2. Локализация остаточного аустенита в стали 02Х2Н4:
а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение в рефлексе аустенита (200)^.
В углеродистых сталях чистый аустенит в однофазном состоянии при комнатной температуре не удается получить ни при каких технически достижимых скоростях охлаждения. Но это сравнительно легко достигается в сталях с добавками легирующих элементов — марганца, никеля, хрома. Так в промышленности применяется высокомарганцевая аустенитная сталь Гадфильда 110Г13Л, хромонике-левые стали типа 08Х18Н10 и 08Х18Н20, хромомар-ганцевые стали типа 50Г20Х4, 03Х13Н4Г9. Полностью аустенитную структуру при комнатной температуре можно получить также в бинарных сплавах железа с никелем, при его содержании в сплаве более 30 мас. %, а также в железомарганцевых сплавах с содержанием марганца от 30 до 55 мас. %.
Количество остаточного аустенита при закалке высокоуглеродистых сталей может достигать до 60%, а в легированных конструкционных — до 10—15%. В структуре закаленных малоуглеродистых сталей остаточного аустенита почти нет. В сталях с содержанием углерода менее 0.6 мас. % количество остаточного аустенита составляет 2— 3%. Вопрос о влиянии химического состава стали на количество остаточного аустенита был, как уже отмечалось, впервые рассмотрен в [3], но более подробно изложен в монографии [11]. Кроме этого на количество остаточного аустенита могут оказывать влияние и другие факторы: температура нагрева стали и режим охлаждения при закалке, а также внешние воздействия. Среди внешних воздействий следует прежде всего отметить влияние упругих напряжений, пластической деформации, обработки холодом и магнитного поля.
Известно, что аустенит и мартенсит различаются по удельному объему, причем удельный объем мартенсита на 2% больше удельного объема аустенита. Следует отметить, что эти структурные составляющие обладают различным коэффици-
ентом термического расширения. В связи с этим при закалке стали возникают значительные внутренние напряжения, которые влияют на процессы дальнейшего превращения аустенита в мартенсит. Если при закалке происходит только мар-тенситное превращение, то состав остаточного аустенита не отличается от исходного состава стали. При бейнитном превращении, которое происходит при замедленном охлаждении в определенном интервале температур, не только увеличивается доля остаточного аустенита, но и происходит существенное обогащение его углеродом. Особенности поведения остаточного аустенита в случае реализации при охлаждении бейнитного превращения будут рассмотрены в другой статье.
В настоящей работе рассмотрены возможные способы уменьшения количества остаточного аустенита. В практик
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.