Мартенситно-стареющие стали

Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, когда оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Этим требованиям в значительной степени отвечают безуглеродистые ( ≤0.03 % С ) мартенситно-стареющие стали, углерод и азот в составе которых – вредные примеси, снижающие пластичность и вязкость стали . Эти стали упрочняются закалкой и последующим старением .

Известно, что мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α – Fe: содержание углерода в мартенсите может быть таким же, как и в исходном аустените, т. е. может достигнуть 2,14 %.

Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлаждён до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, т. е. не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита.

Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Сдвиговой механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие межатомные.

Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень высока (~ 1000 м/с).

Вследствие разности удельных объемов мартенсита и аустенита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что, в конечном счете, приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов.

При переохлаждении аустенита до температуры, соответствующей точке М_Н (М_S в иностранной литературе) аустенит превращается в мартенсит. Таким образом, М_H – температура начала мартенситного превращения. Если непрерывное охлаждение стали прекратить, то превращение остановится. Чем ниже охладить аустенит, тем больше образуется мартенсита.

По достижении определенной для каждой стали температуры (M_K) превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эту температуру окончания мартенситного превращения обозначают M_K. Положение M_H и M_K не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом аустенита: чем больше в аустените углерода, тем ниже M_H и M_K . Все легированные элементы, растворенные в аустените, за исключением Co и Al , понижают M_H и M_K (рис.10.1).

Рис. 10.1. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и количество остаточного аустенита (б) в стали с 1, 0 % углерода

Мартенситно – стареющие стали представляют собой сплавы Fe с Ni (8-20 % масс.), а часто и с Co .

Старение относится к разновидности термической обработки, при которой в закаленной стали происходит распад пересыщенного твердого раствора. Эту операцию назначают обычно для стабилизации размеров измерительного инструмента. Старение подразделяют на естественное, протекающее без воздействия температуры, и искусственное – при воздействии температуры. Схема искусственного старения включает нагрев до 120…150?С и выдержку в течение 10…35 ч при этой температуре. Выдержка позволяет, не снижая твердости закаленной стали, стабилизировать состояние углерода в ее структуре за счет выделения его в виде дисперсных карбидов.

Для протекания процесса старения в мартенсите, сплавы дополнительно легируют Ti , Al , Mo и другими элементами. Высокая прочность мартенситно- стареющих сталей обязана образованию твёрдого раствора Fe и легирующих элементов ( Ni , Co , Mo , Al и другие ), мартенситному превращению, сопровождающаяся фазовым наклепом и, главным образом, старению мартенсита, при котором происходит образование сегрегаций , метастабильных и стабильных фаз типа Fe₃Mo , Ni₃ Mo , Ni₃Ti , Ni Al и других . Высокое сопротивление хрупкому разрушению объясняется пластичностью и вязкостью без углеродистого мартенсита (“мартенсит замещения “)

Мартенситно-стареющие стали - это высокопрочныестали интерметаллидного упрочнения, в которых при закалке получается практически безуглеродистый мартенсит, а затем при отпуске (около 500 ^oС) происходит выделение интерметаллидных фаз типа NiTi, Ni3₃ Ti и др. Наиболее распространенная мартенситно - стареющая сталь содержит, %: С до 0,03; Ni 18; Со 10; Мо 5; Ti 0,5; AI 0,1. Механические свойствава сталей: σ_в=2200 МПа; δ=12%.