ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 5, с. 77-81
_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^
ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.112.227.346.2:539.4.015
УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПАКЕТНОГО МАРТЕНСИТА ПРИ ЗАМЕДЛЕННОМ ОХЛАЖДЕНИИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОГО АУСТЕНИТА
© 2004 г. Ю. Н. Симонов
Пермский государственный технический университет, 614600 Пермь, Комсомольский просп., 29а
Поступила в редакцию 03.11.2003 г.
На базе анализа результатов комплексного исследования кинетики превращений, структуры и характеристик механических свойств низкоуглеродистых сталей сформулированы подходы к разработке химического состава, позволяющие обеспечить получение структуры пакетного мартенсита при медленном охлаждении низкоуглеродистых мартенситных сталей повышенной прочности.
ВВЕДЕНИЕ
В работах Энтина и Клейнера [1, 2] сформулированы основные принципы обеспечения высокой устойчивости переохлажденного низкоуглеродистого аустенита, на основании которых были разработаны традиционные низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС) 07Х3ГНМ, 06Х3Н2М и др.
1. Содержание углерода в НМС должно быть не менее 0.04% для предотвращения выделения избыточного феррита, а максимальное содержание углерода не должно превышать 0.08-0.10%.
2. Сумма легирующих элементов (3-5%) должна обеспечивать высокую устойчивость аустенита в области "нормального" превращения.
3. Отношение массового содержания хрома к массовому содержанию углерода должно быть не менее 35-40 для подавления бейнитного превращения.
4. Температура начала мартенситного превращения не должна быть слишком низкой, чтобы не допустить появления в структуре закаленных сталей пластинчатого мартенсита.
В связи с разработкой НМС повышенной прочности, таких как 12Х2Г2НМФТ, 12Х2Г2НМФБ, содержание углерода в которых увеличено до 0.12-0.15% возникла необходимость корректировки принципов конструирования химического состава, обеспечивающих высокую устойчивость переохлажденного аустенита НМС. В частности, необходимость корректировки вызвана тем, что в традиционных НМС типа 07Х3ГНМ температура начала мартенситного превращения находится на уровне 500°С, и бейнитное превращение в таких сталях оказывается как бы "утопленным" в мар-тенситном. В такой ситуации, даже в условиях непрерывного охлаждения с малыми скоростями, мартенситное превращение протекает в первую очередь, а бейнитное превращение не успевает
реализоваться. При повышении содержания углерода с 0.07-0.08 до 0.12-0.15% сопротивление сдвигу решетки аустенита увеличивается, что приводит к снижению Мн примерно на 100°С. За счет этого в интервале температур 500-400°С появляется возможность протекания бейнитного превращения.
Шварцман и Петрова показали, что добавки марганца, хрома, ванадия, титана уменьшают термодинамическую активность углерода в аус-тените [3]. Наиболее сильное влияние оказывают добавки титана, наиболее слабое - добавки марганца. Другими словами, энергия связи атомов углерода, растворенного в аустените, с твердым раствором существенно увеличивается при легировании карбидообразующими элементами.
Кроме того, все легирующие элементы с "более высокой, чем у железа, температурой плавления понижают подвижность атомов железа в связи с увеличением сил междуатомной связи" [4]. Поскольку практически все карбидообразующие элементы имеют более высокую, по сравнению с железом, температуру плавления, легирование сильными карбидообразователями, на первый взгляд, позволяет просто решать проблему повышения устойчивости переохлажденного низкоуглеродистого аустенита. Однако опыт создания низкоуглеродистых сталей, легированных, например, ванадием (12Х1МФ, 15Х2ГМФ) или ниобием (08Г4Б) свидетельствует о том, что эти стали обладают сравнительно низкой устойчивостью аустенита, и при замедленном охлаждении в них формируется феррито-перлитная или бей-нитная структура.
Процессом, который может существенно повлиять на устойчивость переохлажденного аустенита и, в конечном счете, на возможность получения мартенситной структуры, является выделение карбидов легирующих элементов непосредствен-
но из аустенита при температурах, близких к области перлитного (нормального) превращения. Как следует из работ Энтина [4, 5] перлитное превращение сталей, легированных хромом, молибденом, ванадием и вольфрамом (при соответствующем их содержании) уже на начальных стадиях протекает с образованием специальных карбидов.
Формирование спецкарбидов приводит к резкому изменению химического состава аустенита в локальных областях (обычно вблизи границ зерен), вызывает появление градиента концентрации по углероду и, как следствие, повышает вероятность активизации "нормального", а при более низких температурах - бейнитного превращения.
Таким образом, легирование сильными карби-дообразователями полезно лишь тогда, когда удается избежать выделения специальных карбидов из аустенита и, кроме того, не допустить распада в перлитной области, и в гомогенном состоянии переохладить аустенит до температур бей-нитной области. Тогда все карбидообразующие элементы, находясь в твердом растворе, будут снижать активность углерода по отношению к железу, препятствуя тем самым бейнитному распаду.
В монографии Могутнова и др. [6] на примере ванадия показано, что атомы карбидообразую-щих элементов, находясь в твердом растворе, образуют устойчивые связи с атомами углерода, удерживая их около себя. Число атомов углерода, удерживаемых атомов карбидообразователя, по-видимому, увеличивается по мере повышения склонности к карбидообразованию. Не исключено, что при общем недостатке углерода, характерном для низкоуглеродистых сталей, и комплексном легировании большинство атомов углерода в аустените удерживается вблизи атомов карбидообразователей, тем самым обеспечивается низкий уровень термодинамической активности углерода в аустените.
Тем не менее в справочной литературе [7] имеется большое количество данных, свидетельствующих о том, что при достаточно высоком легировании карбидообразователями, выделение специальных карбидов при замедленном охлаждении низкоуглеродистого аустенита все-таки происходит. Этот процесс особенно ярко наблюдается в сталях с повышенным содержанием сильных карбидообразователей, например, теплостойких типа 12Х2МФС (% V = 0.32%). Значительно лучше, с точки зрения устойчивости переохлажденного аустенита, ведут себя те стали, в которых содержание карбидообразователей постепенно снижается по мере увеличения склонности к образованию карбидов.
Это наводит на мысль о том, что низкий уровень активности углерода, обеспечивающий, в конечном счете, высокую устойчивость переох-
лажденного аустенита, сохраняется лишь в тех случаях, когда на фоне общего недостатка углерода атомы элементов-карбидообразователей конкурируют между собой за возможность формирования специального карбида, проявляя при этом примерно одинаковую термодинамическую активность.
Поскольку уровень активности элемента зависит как от коэффициента активности (склонности к карбидообразованию), так и от его концентрации, появляется возможность компенсации высокого коэффициента активности сильных карбидообразователей за счет уменьшения в определенной пропорции их концентрации.
Из всего вышесказанного становится ясно, что для получения структуры пакетного мартенсита при замедленном охлаждении низкоуглеродистого аустенита сталь необходимо легировать элемента-ми-карбидообразователями, причем по мере постепенного увеличения склонности к образованию карбидов, концентрация элемента должна в определенной пропорции уменьшаться.
Для подтверждения этого положения был проведен комплекс исследований, включающий излучение у —► а-превращений как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении, исследование структуры продуктов превращения, а также оценку характеристик механических свойств.
В качестве материалов для исследования были взяты 3 НМС: 12Х2Г2НМФТ - перспективная НМС с повышенным уровнем прочности, химический состав которой в наибольшей степени соответствует изложенному выше принципу легирования; 08Х2Г2ФБ - как представитель группы экономнолегированных НМС, в составе которых отсутствует молибден, и, следовательно, нарушается непрерывность цепочки карбидообразователей; 07Х3ГНМ - как традиционная, широко используемая в промышленности, особенностью которой является высокое положение температуры начала сдвигового превращения. Для сравнения была также взята бейнитная сталь 15Х2ГМФ, которая является одним из лучших представителей данного класса. Химический состав исследуемых сталей приведен в табл. 1.
Образцы для исследований вырезали из трубных заготовок в осевом направлении. Проводили аустенизацию при 930°С в течение 40 мин. Затем образцы охлаждали с различными скоростями (среднюю скорость охлаждения в интервале 650-350°С рассчитывали по изменению температуры, которую фиксировали с помощью термопары, зачека-ненной в один из образцов). Другую часть образцов после аустенизации подвергали изотермической обработке при 650-350°С, длительность которой изменяли от 5 мин до 3 ч. Испытания на растяжение проводили на машине УМЭ-10Т, на
Таблица 1. Химический состав исследуемых сталей
Марка стали Содержание элементов, мас. %
С Сг Мп N1 Мо V N5 (Т1)
12Х2Г2НМФТ 0.12 2.38 2.23 1.38 0.43 0.09 (0.03)
08Х2Г2ФБ 0.085 2.2 2.25 - - 0.08 0.03
07Х3ГНМ 0.07 3.15 0.92 1.02 0.22 - -
15Х2ГМФ 0.165 1.95 1.0 - 0.20 0.13 -
Примечание. Содержание кремния во всех сталях 0.26-0.30%, содержание серы не более 0.02%, фосфора не более 0.02%.
Таблица 2. Сравнительный анализ соотношения концентраций элементов в исследуемых сталях
Марка стали Соотношение элементов Мн, °С
Сг/С Мп/Сг №/Сг Мо/Сг ^Сг №/Сг (Т1/Сг)
12Х2Г2НМФТ 20 0.94 0.58 0.18 0.04 (0.013) 410
08Х2Г2ФБ 25 1.02 - - 0.04 0.014 475
07Х3ГНМ 43 0.30 0.30 0.07 - - 500
15Х2ГМФ 12 0.51 - 0.10 0.07 - 400
коротких пятикратных образцах в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-73. Оценку ударной вязкости (КСи) и динамической трещиностойкос-ти (КСТ) проводили по ГОСТ 9454-78 на копре МК-30, образцы тип 3 и тип 17 соответственно. Кинетику превращений исследовали на модернизированном анизом
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.