Мартенситно-стареющие стали

 

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ОЛЕСЯ ГОНЧАРА

ХІМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ХІМІЇ ТА ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по курсу «Конструкционные материалы»

на тему:

«Мартенситно-стареющие стали»

 

 

 

 

 

 

 

Подготовила: Ст. гр. ХВ-13-4 Сухобрус Валерия Евгеньевна Приняла: Носова Татьяна Валерьевна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Днепропетровск, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение……………………………………………………3

1. Стали с 18% Ni……………………………………………4
2. Стали с 20 % Ni…………………………………………..7
3. Стали с 25 % Ni…………………………………………..8
4. Другие мартенситно-стареющие стали…………..9
5. Основные свойства и применение…………………..11
6. Марки мартенситно-стареющих сталей…..........13

Выводы…………………………………………………...16

Список литературных источников………………..17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Другой возможностью применения материалов с высокой прочностью в сочетании с удовлетворительной вязкостью и пластичностью является использование мартенситно-стареющих сталей. Их получение основано на обеспечении очень низкого содержании углерода, вредных примесей, что достигается выплавкой в вакууме, и большого содержания никеля в составе сталей. В этих сталях можно реализовать мартенситное превращение при очень низком содержании углерода и малой скорости закалки. Вышеприведенные особенности химического состава определяют очень высокое сопротивление импульсным нагрузкам и высокую ударную вязкость. Этому также способствует малый размер аустенитного зерна и морфология пластинчатого мартенсита. Для такого мартенсита, имеющего высокую плотность дислокаций, характерна, однако, относительно низкая прочность и высокие характеристики пластичности: σ0,2=650÷800 МПа; σв=950÷1050 МПа; НV=290-320; δ=17÷19%; ψ=70-75%.

Прочность низкоуглеродистого высоконикелевого мартенсита существенно возрастает при нагреве вследствие дисперсионного твердения, обусловленного выделением интерметаллидных фаз, которое определяется суммарным содержанием в стали кобальта и молибдена при малых добавках титана и алюминия, или общим высоким содержанием двух последних элементов.

 

 

 

 

 

 

 

1. Стали с 18% Ni

 

К ним относятся сплавы на основе Fе-18 % Ni, дисперсионное твердение которых обусловлено большим содержанием молибдена и кобальта в сочетании с малыми добавками титана и алюминия.

Мартенситно-стареющие стали, типичные для данной  группы,  их состав и предел текучести приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Предел текучести, МПа	Химический состав, % (по массе)
	C	Mn	Si	S	P	Ni	Co	Mo	Ti	Al
1350	0,03	0,10	0,10	0,01	0,01	17-19	8-9	3-3,5	0,2	0,1
1650	0,03	0,10	0,10	0,01	0,01	17-19	7-8,5	4,6-5,1	0,4	0,15
1960	0,03	0,10	0,10	0,01	0,01	17-19	8,5-9,5	4,7-5,2	0,6	0,15

 

 

Они имеют низкое количество примесей, производятся одинарным или двойным вакуумным переплавом и содержат 0,003% В, 0,02 % Zr, 0,05 % Са, способствующих связыванию вредных примесей и улучшению высокотемпературной деформируемости сталей. Как было отмечено, их прочность возрастает с увеличением количества Мо и Тi при малой концентрации примесей.

Рис. 1. Схема типичного цикла ТО мартенситно-стареющей стали с 18 % Ni

Термическая обработка сталей включает аустенитизацию при температуре 850—870oС, нормализацию или закалку в воду и последующее старение при 480oС в течение 3 ч. Типичный цикл термической обработки изображен на рис.1. Большинство легирующих элементов, за исключением кобальта, понижает температуру MH, однако температуру МK поддерживают таким образом, чтобы она превышала комнатную и чтобы после охлаждения от температуры аустенитизации весь сплав или его большая часть претерпевала мартенситное превращение. Фазой, обеспечивающей дисперсионное твердение в основном является орторомбическая Ni3Mo, имеющая форму малых пластин. Однако также выделяется и Ni3Ti. В сильно перестаренном состоянии образуется Fe2Mo. Роль кобальта заключается в интенсификации дисперсионного твердения за счет выделепня Ni2Mo, но и само добавление молибдена существенно влияет на упрочнение при старении (рис. 2). Выбором температуры и времени старения можно реализовать требуемый уровень прочности. Однако при слишком высокой температуре старения образуется аустенит, который зачастую далее не превращается в мартенсит, так как имеет температуру МН ниже комнатной. Если требуется повысить прочность, то можно применить холодную пластическую деформацию исходного низкоуглеродистого мартенсита примерно на 50%, которую осуществляют перед старением. Типичные механические свойства приведены в табл. 2.

Термическая обработка сталей включает аустенитизацию при температуре 850—870oС, нормализацию или закалку в воду и последующее старение при 480oС в течение 3 ч. Типичный цикл термической обработки изображен на рис.1. Большинство легирующих элементов, за исключением кобальта, понижает температуру MH, однако температуру МK поддерживают таким образом, чтобы она превышала комнатную и чтобы после охлаждения от температуры аустенитизации весь сплав или его большая часть претерпевала мартенситное превращение. Фазой, обеспечивающей дисперсионное твердение в основном является орторомбическая Ni3Mo, имеющая форму малых пластин. Однако также выделяется и Ni3Ti. В сильно перестаренном состоянии образуется Fe2Mo. Роль кобальта заключается в интенсификации дисперсионного твердения за счет выделепня Ni2Mo, но и само добавление молибдена существенно влияет на упрочнение при старении (рис. 2). Выбором температуры и времени старения можно реализовать требуемый уровень прочности. Однако при слишком высокой температуре старения образуется аустенит, который зачастую далее не превращается в мартенсит, так как имеет температуру МН ниже комнатной. Если требуется повысить прочность, то можно применить холодную пластическую деформацию исходного низкоуглеродистого мартенсита примерно на 50%, которую осуществляют перед старением. Типичные механические свойства приведены в табл. 2.

 

 

 

 

 

Таблица 2

 

Предел прочности, МПа	σ0,2,МПа	σВ,МПа	δ,%	ψ,%	KCV при 20ОС, Дж/см2
1350	1290-1430	1350-1500	14-16	65-70	100-185
1650	1650-1850	1730-1900	10-12	48-52	30-44
1950	1950-2080	2040-2100	12	60	18-34

 

 

При очень высокой прочности имеются превосходные ударные характеристики, а отношение прочности образца с надрезом к прочности ненадрезанного образца составляет 1,35…1,65. Холодная пластическая деформация на 50 % и последующее старение увеличивают предел текучести до 1700, 2000 и 2100 МПа для сталей с вышеуказанной поминальной прочностью.

При очень высокой прочности имеются превосходные ударные характеристики, а отношение прочности образца с надрезом к прочности ненадрезанного образца составляет 1,35…1,65. Холодная пластическая деформация на 50 % и последующее старение увеличивают предел текучести до 1700, 2000 и 2100 МПа для сталей с вышеуказанной поминальной прочностью.

Рис. 2. Влияние молибдена и кобальта на увеличение твердости мартенситно-стареющих сталей с 18 % Ni в процессе изотермического нагрева при 455 °С (а) и на величину максимальной твердости этих сталей после старения при 480оС (б):

1 — Fе-18%, Ni-5%, Mo-3%, Со; 2—Fe-18%, Nі-5%, Mo; 3 — 7% Со;       4 – без кобальта; 5— закалка от 870оС

 

 

2. Стали с 20 % Ni

 

Рис. 3. Схема типичных циклов ТО мартенситно-стареющих сталей с 20% Ni

По содержанию примесей эти стали подобны сплавам 18% Ni-Mo-Co, но содержание никеля увеличено до 20 %. Взамен молибдена и кобальта для обеспечения дисперсионного твердения вводится ≈1,5 % Ti, 0,25 % А1 и    0,5 % Nb. Температура МН несколько ниже, чем в сталях с 18 % Ni, однако сплав в основном превращается в мартенсит после аустенитизации и охлаждения до комнатной температуры. Если превращение проходит не полностью, то может быть применена обработка холодом при —78оС или холодная пластическая деформация, которая повышает температуру МН. Старение осуществляют при 480°С в течение 3 ч после предварительной обработки холодом и без нее. Обработка холодом, однако, слабо влияет на прочность, поскольку в сплаве превращение в основном уже прошло. Прочность может быть увеличена, если сплав перед старением подвергнуть холодной пластической деформации. Типичные циклы обработки показаны на рис. 3.

По содержанию примесей эти стали подобны сплавам 18% Ni-Mo-Co, но содержание никеля увеличено до 20 %. Взамен молибдена и кобальта для обеспечения дисперсионного твердения вводится ≈1,5 % Ti, 0,25 % А1 и    0,5 % Nb. Температура МН несколько ниже, чем в сталях с 18 % Ni, однако сплав в основном превращается в мартенсит после аустенитизации и охлаждения до комнатной температуры. Если превращение проходит не полностью, то может быть применена обработка холодом при —78оС или холодная пластическая деформация, которая повышает температуру МН. Старение осуществляют при 480°С в течение 3 ч после предварительной обработки холодом и без нее. Обработка холодом, однако, слабо влияет на прочность, поскольку в сплаве превращение в основном уже прошло. Прочность может быть увеличена, если сплав перед старением подвергнуть холодной пластической деформации. Типичные циклы обработки показаны на рис. 3.

Выделениями, обеспечивающими упрочнение, являются Ni3(А1, Ti) и Ni3Nb. Характерные механические свойства приведены ниже:

Показатели	Свойства после аустенитизации*
σB, МПа	1750/1880
σ0,2, МПа	1750/1850
δ, %	11/12
ψ, %	45/57
KCV при 20ОС, Дж/см2	25-35/ -

 

*Числитель –  при 820ОС +480ОС, 3ч; знаменатель – то же, но после аустенитизации холодная деформация на 50%.

 

Считают, что эти сплавы не найдут широкого практического применения, так как они очень дорогие.

 

3. Стали с 25 % Ni

 

Эти стали содержат ≈1.5% Ti, 0,25% А1 и (или) 0,5% Nb. Температура МН ниже или очень близка к комнатной температуре, и стали после аустенитизации остаются преимущественно в аустснитиом состоянии. Поэтому перед упрочняющим старением их необходимо превратить в мартенсит, для чего применяют два вида обработки.

Старение аустенита. При температуре 700°С такое старение сопровождается образованием выделений γ'—Ni3(Al, Ti) и (или) Ni3Nb. Содержание легирующих элементов в аустените уменьшается и вследствие этого температура Мн возрастает настолько, что при последующем охлаждении до комнатной температуры сплав в основном превращается в мартенсит. Для обеспечения полного превращения сплав можно обработать холодом при —78 °С перед упрочняющим 3-ч нагревом при 480оС. Старение аустенита при 700 °С приводит к его твердению вследствие образования выделений γ̓—Ni3(Al, Ti), которые, однако, теряют когерентность при превращении аустенита в мартенсит. Вместе с тем уменьшается наличие титана и алюминия, необходимых для последующего старения мартенсита, вследствие чего, как показывает изучение свойств, прочность получается ниже. Выделения, образующиеся при старении мартенсита, идентифицированы как η-Ni3Ti.

 

Рис. 4. Схема типичных циклов ТО мартенситно-стареющих сталей с 25 %  Ni

Холодная пластическая деформация и обработка холодом.

Холодная пластическая деформация и обработка холодом.

Аустенит должен быть подвергнут деформации в холодном состоянии не менее чем на 25 %, для того чтобы подъем интервала МН—МК был достаточным для полного превращения при — 78 °С. Более глубокое охлаждение до -196°С необязательно. Холодная пластическая деформация и обработка холодом обеспечивают интенсивное дисперсионное твердение вследствие выхода элементов из твердого раствора. При этом достигается более высокая прочность, чем при старении аустенита.

Типичные циклы обработки мартенситно-стареющих сталей с 25 % Ni показаны на рис. 4.