Мартенсит деформации в аустенитных сталях

Обновлено: 17.05.2024

Аустенито-мартенситные стали по структуре и свойствам относятся к переходному классу. В зависимости от режима термической обработки эти стали могут быть очень пластичными и вязкими ( после аустенизации) или твердыми и прочными при обработке на мартенсит. [1]

Аустенито-мартенситные стали применяют при изготовлении высокопрочных конструкций, работающих в условиях гидроэрозии. Например, коррозионно-стойкую дисперсионно твердеющую сталь Х16Н4Д4Т применяют для изготовления гребных винтов морских судов ответственного назначения. Сталь типа 09Х15Н8Ю используют для обшивки лобовых частей гидросамолетов, подвергающихся гидроэрозии при скоростных полетах. [2]

Аустенито-мартенситные стали широко применяются при изготовлении легких высокопрочных конструкций авиационной техники, работающих при обычных атмосферных условиях и при повышенных температурах, для обшивки сверхзвуковых самолетов и других летательных аппаратов. На рис. 137 показано изменение ЮО-f длительной прочности этих сталей в сравнении с другими нержавеющими сталями в зависимости от температуры испытания. [3]

Аустенитные и аустенито-мартенситные стали ( типа СН), а также стали и сплавы на железоникелевой основе обладают плохой обрабатываемостью, особенно при прерывистом резании. Очень трудно обрабатываются жаропрочные сплавы на никелевой основе. [4]

В аустенито-мартенситных сталях закалка не приводит к существенному превращению аустенита в мартенсит. Такое превращение в этих сталях может быть вызвано тремя различными способами: 1) обработкой холодом до температуры ниже Мв ( температуры мартенситного превращения); 2) пластической деформацией при температурах ниже MQ ( температуры начала мартенситного превращения при пластической деформации на 5 %); 3) нагревом в интервале наиболее интенсивного выделения легированных карбидов из аустенита ( 700 - 750 С), вследствие чего происходит обеднение аустенита и уменьшение его стабильности. После соответствующей обработки, в результате которой образуется достаточно большое количество мартенсита ( 70 - 90 %), дальнейшее повышение прочности достигается старением мартенсита. [5]

Таким образом, аустенито-мартенситные стали в зависимости от вида термической обработки могут иметь низкую или высокую эрозионную стойкость, которая определяется состоянием стали и ее структурными особенностями. [6]

Коррозионностойкие высокопрочные мартенситностареющие и аустенито-мартенситные стали содержат 12 - 17 % Сг, поэтому их применение в химическом машиностроении ограничено. [7]

Возможность применения мартенситностареющих и аустенито-мартенситных сталей определяется стойкостью против общей и межкристаллитной коррозии сварных соединений. При сварке сталей с повышенным содержанием углерода в зоне термического влияния наблюдается образование карбидной сетки, приводящей к межкристаллитной коррозии. Восстановление коррозионной стойкости достигается только после полного цикла термической обработки изделия после сварки. [8]

Несколько правее лежат мартенсито-аустенитные и затем аустенито-мартенситные стали , отличающиеся лишь количественным соотношением фаз; чем ближе они лежат к аустенитной области, тем больше имеют нераспавшегося остаточного аустенита. [10]

Химический состав типичных мартенситно-стареющих и аустенито-мартенситных сталей представлен в табл. 1.7. Важнейшая особенность аустенито-мартенситных сталей по сравнению с мартенситностареющими - возможность большего легирования хромом, что обеспечивает их повышенную коррозионную стойкость. [11]

Сталь ОЗХ25Н5М2, имеющая а02 500 МПа, может использоваться для изготовления высоконагруженных изделий взамен аустенито-мартенситных сталей типа 08Х15Н9Ю с а0) 2 90 МПа. Это определяется высокой вязкостью разрушения закаленной стали ( для сталей 09Х25Н5М2 и 08X15Н9Ю Kic и длина критической трещины равны 91 и 65 МН / м3 / 2, 2 и 11 мм соответственно) и подтверждается вязким характером разрушения массивных образцов стали ОЗХ25Н5М2 с усталостной трещиной. [13]

Аустенито-мартенситные стали применяют в тех случаях, когда наряду с хорошей коррозионной стойкостью требуются высокие механические свойства. МПа, 8з & 12 % - Ф2 & 45 % и он 4 0 МДж / м2) сталь закаливают в воде или на воздухе с 950 - 1000 С для полного растворения карбидов после закалки сталь имеет аустенитную структуру, обладает высокой пластичностью и легко деформируется. Затем ее подвергают обработке холодом при - 70 С ( ниже точки Мн) для перевода большей части аустенита ( - 80 %) в мартенсит. Заключительной операцией является старение при 350 - 380 С. [14]

Аустенито-мартенситные стали применяют в тех случаях, когда наряду с хорошей коррозионной стойкостью требуются высокие механические свойства. С для полного растворения карбидов после закалки сталь имеет аустенитную структуру, обладает высокой пластичностью и легко деформируется. Затем ее подвергают обработке холодом при - 70 С ( ниже точки УИН) для перевода большей части аустенита ( - 80 %) в мартенсит. [15]

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Мартенсит деформации отличается от мартенсита охлаждения. После пластической деформации мартенсит получается более дисперсным, что ведет к улучшению механических свойств. В зависимости от условий деформирования ( температуры, степени, схемы напряженного состояния) и состава сплава образуются различные формы мартенсита и в некоторых случаях - весьма мелкие частицы. Упрочнение при пластической деформации аустенита является результатом суммарного действия наклепа исходной фазы ( и передачи по наследству дефектов структуры продуктам превращения) и фазового превращения аусте-нит - - мартенсит. [1]

Поскольку мартенсит деформации : появляется лишь после - начала пластического течения, то. [2]

Образование мартенсита деформации сопровождает как процесс зарождения, так и распространения трещины. Ширина зоны, в которой образуется е - и а-мартенсит, составляет 100 - 150 мкм с каждой стороны трещины. Авторы работы [166] отмечают, что непосредственно под трещиной в направлении ее распространения а-мартенсит деформации не образуется. По мере снижения температуры испытания интенсивность мартенситного превращения при пластической деформации растет. [3]

Образование мартенсита деформации в этих сталях зависит от температуры деформирования, содержания легирующих элементов и степени деформации. Для конструкций из аустенитных сталей, используемых в атомной энергетике, особенно актуально изучение процессов фазовых превращений 7 - d или у - е - а при малоцикловом деформировании. Выше мы отмечали, что на стадии циклического деформационного упрочнения наряду с повышением плотности дислокаций большую роль могут играть процессы фазовых превращений, которые влияют не только на интенсивность деформационного упрочнения, но и на особенности зарождения микроскопических усталостных трещин, которые зарождаются на этой стадии. [5]

В результате деформации формоизменения при низких температурах образуется мартенсит деформации . [6]

После такой обработки большая часть аустенита превращается в мартенсит деформации . Дальнейшее упрочнение стали достигается старением при 450 - 480 С. [7]

Относительно высокая пластичность в упрочненном состоянии обусловлена появлением мартенсита деформации при испытании образцов. [9]

Деформация стали при комнатной температуре приводит к образованию мартенсита деформации , в результате чего происходит стабилизация остаточного аустенита при последующем охлаждении. [11]

В работе [64] было высказано предположение, что образование мартенсита деформации при температуре - 196 С в условиях малоцикловой усталости стали Х18Н10Т при больших амплитудах деформации приводит к охрупчиванию стали и снижению сопротивления образованию усталостных трещин и разрушению. [12]

Таким образом, проведенные исследования показали, что существенного образования мартенсита деформации как анодной составляющей микроструктуры стали ( у - Мд превращение) в количествах, достаточных для усиления коррозии, при принятой технологии изготовления гибкой части компенсаторов не происходит. Исследованный диапазон варьирования скоростей деформирования ( скоростей сварки) не оказывает практического влияния на повышение коррозионной активности стали. [13]

Полагали, что такое высокое упрочнение при пластической деформации связано с образованием мартенсита деформации . [15]

Особенности мартенситного превращениях в сталях

1. Превращение бездиффузионное, оно не сопровождается диффузионньм перераспределением атомов углерода или других легирующих элементов. Превращение является сдвиговым, т. е. осуществляется путем кооперативного смещения атомов железа при перестройке решетки ГЦК в ОЦК, при этом атомы железа не обмениваются местами, а смещаются относительно друг от друга на расстояния меньше межатомных.

2. Мартенситное превращение нельзя подавить быстрым охлаждением, как это возможно делать для любого диффузионного превращения. Превращение для каждой марки стали начинается с определенной температуры Мн и заканчивается при температуре Мк, которые практически не зависят от скорости охлаждения.

3. Для развития мартенситного превращения необходимо непрерывное охлаждение стали в мартенситном интервале Мн - Мк,. Однако в отличие от перлитного превращения, оно даже при достижении температуры Мк, не идет до конца и в структуре сохраняется некоторое количество остаточного аустенита. Если приостановить охлаждение внутри мартенситного материала, то образование мартенсита прекращается, т. е. превращение не идет при изотермических выдержках.

4. Температурное положение точек Мн и Мк, зависит от химического состава стали и прежде всего от содержания углерода. Это связано прежде всего с тем, что углерод и большинство легирующих элементов повышают устойчивость переохлажденного аустенита, изменяют его упругопластические свойства. Повышение их содержания в стали снижает положение точек Мн и Мк.

5. Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали имеет наибольший удельный объем. Увеличение удельного объема при мартенситном превращении приводит к росту упругой энергии, внутренним напряжением, которые приводят к пластической деформации, короблению и даже трещинам.

6. Мартенситные кристаллы растут с колоссальной скоростью - 10 6 мм/сек

Свойства мартенсита. Характерной особенностью мартенсита является его высокая прочность и твердость. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода. В стали с содержанием 0, 6-0, 7% С твердость мартенсита HRC 65. Это в 6 раз больше твердости феррита. Предел прочности низкоуглеродистого мартенсита (0, 015% С)~ кг/мм 2 , а при 0, 6-0, 2% С -260-270кг/мм 2 . Однако с повышением содержания углерода растет хрупкость. Так уже при содержании > 0, 35-0, 40% С пластичность мартенсита очень низкая и точно определить прочностные характеристики затруднительно.

Упрочнение при закалке на мартенсит является результатом действия нескольких механизмов торможения движения дислокации, плотность которых очень велика. Важнейшая роль принадлежит углероду. Атомы углерода, искажая решетку α - железа, затрудняют движение дислокации. В процессе закалки или после нее атомы углерода образуют атмосферы на дислокациях, закрепляя их. Упрочняющие влияние углерода на мартенсит очень велико и можно считать, что твердость закаленной стали не зависит от содержания легирующих элементов, образующих твердые растворы замещения и определяется только содержанием углерода.

Основная причина резкого охрупчивания при закалке углеродистых сталей низкая подвижность дислокации в мартенсите, содержащем углерод. В результате снижается резко сопротивление распространению трещин и сталь хрупко разрушается.

Влияние отпуска на механические свойства.Распад мартенсита при отпуске оказывает существенные влияния на свойства. При низких температурах отпуска до 200-250° уменьшается склонность стали к хрупкому разрушению при этом сохраняется высокая твердость. Прочность и вязкость могут несколько возрастать из-за уменьшения микро- и макронапряжений.

Повышение температуры отпуска от 200-250° до 500-650° заметно снижает твердость, пределы прочности, текучести и повышает относительное удлинение и сужение.

С ростом температуры отпуска разупрочнение возрастает из-за следующих причин:

1) уменьшается нарушение когерентности на границе карбид твердый раствор и снятия упругих концентрация в твердом растворе;

3) коагуляция карбидов и увеличение межпластиночного расстояния;

4) развитие возврата и рекристаллизации. В разных температурных интервалах преобладает действие разных факторов.

В высокоуглеродистых сталях, содержащих значительное количество остаточного аустенита, распад его с выделением карбидов задерживает падение твердости, а в интервале 200-250 ° даже несколько увеличивает ее (рис. 69 б).

Мартенситное превращение аустенита

Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как ферритоцементитные смеси. Характерной особенностью аустенитомартенситного превращения является его бездиффузионный характер.

При большом переохлаждении углерод не успевает выделиться из твёрдого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Решётка γ-железа перестраивается в решётку α-железа. Углерод остаётся внутри решётки α-железа, в результате чего получается пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Значительное пересыщение α-железа углеродом вызывает изменение объёмно-центрированной кубической решётки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед (рис. 2.8).

C, Fe

Рис. 2.8. Кристаллическая ячейка Рис. 2.9. Кривая мартенситного
мартенсита: превращения

Атомы углерода в такой ячейке располагаются в междоузлиях (что характерно для твердого раствора внедрения), в центре основания (сторона а) или в середине удлиненных рёбер (сторона с). Степень тетрагональности, характеризующаяся отношением осей с/а, увеличивается с повышением содержания углерода в твёрдом растворе, достигая в стали с 1,7% С значения 1,08.

Из изложенного следует, что мартенсит является пересыщенным твёрдым раствором внедрения углерода в α-железе.

Превращение аустенита в мартенсит протекает в определённом интервале температур. При охлаждении оно начинается при некоторой температуре в точке М_н (см. рис. 2.3), которая, в отличие от начала перлитного превращения, не зависит от скорости охлаждения (для данной стали). Все большее превращение аустенита в мартенсит происходит по мере понижения температуры и заканчивается при температуре М_к (см. рис. 2.3).

Характерным для мартенситного превращения является то, что даже при температуре конца превращения (точка М_к) полного образования мартенсита не происходит. Аустенит частично остаётся не превращённым в мартенсит и называется остаточным аустенитом (А_ост; рис. 2.9).

Рис. 2.10. Влияние содержания углерода на температуру начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения

Если в мартенситном интервале охлаждение приостановить и дать выдержку, то превращение аустенита в мартенсит почти сразу же прекращается. Эта особенность резко отличает мартенситное превращение от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже точкиА₁. После выдержки при температурах, близких к температуре в точкеМ_к, не только прекращается образование мартенсита, но и увеличивается стойкость аустенита против мартенситного превращения при последующем охлаждении, т.е. аустенит в интервале температур мартенситного превращенияМ_н-М_к стабилизируется.

Мартенситный интервал температур определяется химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем при более низкой (но постоянной) температуре происходит превращение аустенита в мартенсит (рис. 2.10). Температура в точке М_к так же, как температура в точке М_н, понижается с повышением в аустените углерода. При содержании углерода более 0,6% мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже нуля. Поэтому, для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур ниже нуля.

Аустенитомартенситное превращение сопровождается увеличением объёма. Все структуры стали можно расположить (от максимального объёма к минимальному) в следующий ряд: мартенсит – троостит – сорбит – перлит – аустенит.

Мартенситное превращение начинается с определенной для каждой марки стали температуры М_н (мартенситной точки начала превращения), которая не зависит от скорости охлаждения в широком диапазоне скоростей, в то время как температура начала перлитного превращения снижается с ростом скорости охлаждения. Образование мартенсита происходит в определённом интервале температур. Оканчивается мартенситное превращение при температуре М_к(мартенситной точке конца превращения). Положение точек М_н и М_к сильно зависит от содержания углерода в стали (см. рис. 2.10) При содержании углерода 0,4% температура М_к равна 100°, при содержании 0,6% С – лежит ниже нуля.

При температуре М_н проявляются только первые кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать углеродистую сталь в мартенситном интервале М_н–М_к. Если охлаждение приостановить, то образование мартенсита практически сразу же прекращается. Эта особенность наиболее ярко отличает кинетику мартенситного превращения от перлитного, которое, как показывает С–диаграмма, всегда доходит до конца при постоянной температуре ниже точки А₁ (т.е. оканчивается полным исчезновением аустенита, если время изотермической выдержки достаточно велико). После мартенситного превращения даже при охлаждении до температуры М_к, в стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита.

В отличие от перлитного, мартенситное превращение в углеродистой стали не имеет инкубационного периода. Длина горизонтальной линии М_н (см. рис. 2.6) никакого физического смысла (как отрезок времени, в течение которого идёт мартенситное превращение) не имеет. Горизонталь М_н соответствует температуре, ниже которой чрезвычайно быстро, практически «мгновенно», образуется некоторое количество мартенсита.

Мартенсит образуется в форме пластин, растущих с громадной скоростью (порядка 1 км/с), в том числе и при температурах ниже 0°С. После «мгновенного» образования мартенсита пластина не растёт. Количество мартенсита при охлаждении ниже точки М_нувеличивается не вследствие подрастания уже образовавшихся пластин, а в результате «мгновенного» возникновения всё новых и новых пластин. Эта особенность также резко отличает мартенситное превращение от перлитного (в процессе развития перлитного превращения не только образуются новые, но и растут ранее образовавшиеся колонии (см. рис. 2.7).

Исследование под микроскопом закаленных углеродистых сталей выявило особую микроструктуру мартенсита. Пластины мартенсита имеют тонкую линзообразную форму. Своей большой поверхностью пластины крайне редко попадают в поверхность шлифа. Произвольные сечения мартенситных пластин плоскостью микрошлифа создают ложное впечатление об игольчатой форме кристаллов. Тем не менее термины «крупноигольчатый» и «мелкоигольчатый» мартенсит широко распространены.

В зависимости от содержания углерода в стали, а следовательно, и от температурного диапазона М_н-М_к мартенситного превращения, различают два типа мартенситных кристаллов: с параллельным расположением пластин (реечный мартенсит) и с расположением пластин под определённым углом, а именно под углом 60, 120 град. (двойниковый, пластинчатый мартенсит).

Реечный мартенсит (называемый также пакетным) наблюдается в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют вид реек (планок), вытянутых в одном направлении. Эти рейки объединены в пакеты. В одном зерне аустенита может быть несколько таких пакетов (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Реечный мартенсит (схема строения одного из бывших

зерен аустенита: А, В, С – три пакета)

Механизм мартенситного превращения описан в классических работах Г.В. Курдюмова. Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются одни относительно других на расстояния, не превышающие межатомные. При этом необходимо, чтобы граница раздела между старой (аустенит) и новой (мартенсит) фазами была когерентной, т.е. чтобы между решётками аустенита и мартенсита существовало хорошее сопряжение (рис. 2.12,а). Только при этих условиях возможно одновременное направление перемещения атомов на расстояния, не превышающие межатомные, когда соседи любого атома в аустените являются соседями этого же атома в мартенсите (кооперативное превращение).

Поскольку объём аустенита отличается от объёма мартенсита, то на границе между ними возникают напряжения, все время усиливающиеся с ростом мартенситного кристалла и вызывающие пластическую деформацию в аустените. В результате пластической деформации нарушается когерентность решёток мартенсита и аустенита, образуется некогерентность решёток мартенсита и аустенита, проявляется некогерентная граница (значительные искажения в расположении атомов; рис. 2.12,б); превращение может идти только диффузионным путём, а при низких температурах диффузионный переход невозможен, поэтому рост мартенситного кристалла прекращается. Характерным для мартенситного превращения является также измельчение блочной структуры, появление в кристаллах мартенсита большого числа микродвойников, повышение плотности дислокаций, что, наряду с образованием пересыщенного углеродом твёрдого раствора с тетрагональной кристаллической решёткой, обусловливает высокую твёрдость мартенсита (HRC 60-65).

Рис. 2.12. Соотношение между решётками старой (аустенит) и новой (мартенсит) фаз при мартенситном превращении

Мартенсит характеризуется высокой твёрдостью и прочностью, причём твёрдость мартенсита возрастает с увеличением в нём содержания углерода. В стали с 0,6-0,7% С твёрдость мартенсита составляет HRC 65. Предел прочности низкоуглеродистого мартенсита (0,015% С) составляет ~ 1000, а при 0,6-0,8% С достигает 2000-3000 МПа. С повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Мартенсит с содержанием более 0,3-0,4% С обладает низкой пластичностью и разрушается хрупко. Приведенные цифры механических свойств сталей со структурой мартенсита следует считать ориентировочными, так как их невозможно определить точно.

Высокая твёрдость и хрупкость мартенсита объясняется влиянием внедрённых атомов углерода в решётку α-фазы. Поверхности раздела кристаллов мартенсита представляют собой трудно преодолимые препятствия для движения дислокаций.

Увеличение объёма стали при закалке тем больше, чем выше содержание углерода в мартенсите, и составляет 1,13-1,20% при изменении содержания углерода от 0,4 до 0,8%. В заэвтектоидных сталях происходит уменьшение объёмных изменений при закалке вследствие увеличения количества остаточного аустенита. Наиболее чувствительна к закалочным трещинам и деформациям эвтектоидная сталь.

Читайте также: