тельно описывается моделью, согласно которой при малой длине свободного пробега прохождение дислокации между частицами связано с образованием дислокационных петель вокруг частиц. Таким образом, высокая прочность мартенситно-стареющих сталей обусловлена не только дисперсностью и равномерным распределением частиц второй фазы, но и их собственной высокой прочностью.

Для мартенситно-стареющих сталей характерна стадийная кинетика процессов старения. В качестве примера рассмотрим изменение временного сопротивления и пластичности стали Н18К8М5Т при БОСС (рис. 114). На I стадии, когда наблюдается интенсивное упрочнение, происходит миграция атомов легирующих добавок с образованием атмосфер и одновременным расщеплением дислокаций. Процессы роста двумерных зародышей новой фазы в третьем измерении соответствуют переходу ко II стадии. Здесь происходит дальнейшее, но уже не столь интенсивное увеличение прочностных характеристик. Когда растущие частицы достигают некоторого критического размера, нарушается их когерентная связь с матрицей, начинается коагуляция, уменьшается плотность дислокаций. Все это приводит к разупрочнению (III стадии).

Важнейшим преимуществом мартенситно-стареющих сталей перед другими высокопрочными материалами является необычно высокое сопротивление хрупкому разрушению. Так, если значение параметра Кю Для улучшаемой конструкционной стали мартенситного типа 40ХН2МА равно 16 МПа-м/2, то для стали Х18К9М5Т при том же уровне предела текучести (32-4-40) МПа-м/. Весьма заметно преимущество мартенситно-стареющих сталей и по сопротивлению развитию трещины.

Следует отметить, что мартенситно-стареющие стали в состоянии высокой прочности по уровню ударной вязкости {KCU) мало отличаются от других высокопрочных конструкционных сталей. Однако температура порога хладноломкости существенно ниже (на 70-80°С), а значение ударной вязкости образцов с трещиной намного выше, чем у углеродсодержащих высокопрочных сталей {КСТ= = 0,25-0,30 вместо 0,06-0,08 МДж/м).

2. Термическая обработка

Важным достоинством мартенситно-стареющих сталей является их высокая технологичность. По ряду технологических свойств мартенситно-стареющие стали превосходят стали других классов соответствующего уровня прочности. Для них характерны: высокая технологическая пластичность; отсутствие трещинообразовання при охлаждении; возможность сведения упрочняющей обработки к операциям закалки и старения; малая изменяемость геометрических размеров в процессе окончательной термической обработки - старения; хорошая свариваемость и возможность получения равнопрочности сварного шва и основного изделия при проведении последующего старения.

Вместе с тем мартеиснтно-стареющие стали не свободны от ряда недостатков: склонность к ликвацнониой неоднородности, особенно по

титану; тепловая хрупкость (выделение по границам зерна карбонитридных или интерметаллидных фаз), сравнительно высокие значения пределов текучести в закаленном состоянии.

Устранение этих недостатков может быть достигнуто рациональным легированием, пластической и термической обработкой.

Предварительная обработка мартенситно-стареющих сталей должна уменьшить ликвацию и выделение частиц второй фазы. Это достигается гомогенизацией при 1200-1260°С (для сплавов, не содержащих меди).

Операцией термической обработки, обеспечивающей реализацию II этапа упрочнения рис. 126), является

закалка. Качество закалки определяется наличием или отсутствием заметных количеств остаточного аустенита; степенью пересыщения твердого раствора легирующими элементами, отчего зависит эффективность последующего старения;

гт -

гооо -

1600 -

Рис. 115. Влияние температуры аустеиитиза-цин <д на изменение предела упругости a. g закаленной от 800 (/), 900 (2), 1200 °С (3) и дефррмнрованной на 60 % мартенситно-старе-ющей стали Н16К4М5Т2Ю после старения в течение 1 ч (С В. Грачев, Л. А. Мальцева)

1200

200 too ООО faX

дисперсностью структуры, т. е. полнотой процессов фазовой и структурной перекристаллизации; наличием или отсутствием в закаленном материале охрупчивающих фаз и б-феррнта.

Первое условие реализуется легированием с учетом влияния элементов на положение точки Мк. Кроме того, уменьшить количество остаточного аустенита можно дестабилизацией у-фазы путем пере-охлаждения стали от 1100-1200 °С и выдержке в интервале 650- 800 °С с последующим быстрым охлаждением. При выдержке в области 650-800 °С в аустените выделяются интерметаллидные фазы, что пря-

Рнс. 116. Выделение карбонитридов в стали Н16К4М5Т2Ю прн выдержке в аустенитном состоянии, Х500. Нагрев 1200 °С, охлаждение: 700 °С, выдержка 3 ч

водит к обеднению аустенита легирующими элементами и, соответственно, к повышению точки Мк.

В отношении второго условия существует установившаяся точка зрения, согласно которой повышение температуры и увеличение времени выдержки при закалке способствует равномерному распределению легирующих элементов, что увеличивает эффект упрочиеиия при старении. Для достижения максимального прироста прочности обычно рекомендуется температура закалки на lOCt-200°С выше температуры Аг.

Считается, что перекристаллизация (измельчение зеряа аустенита) в мартенситно-стареющих сталях происходит вследствие рекристаллизации фазоиаклепаниого аустенита. Измельчение зерна может происходить путем зарождения новых зерен по механизму на месте (стали с А1, Со, Си), или по механизму неоднородной миграции границ зерен (стали с Ti и Мо), причем температура структурной перекристаллизации чаще всего на 50-200 С выше температуры Ai.

До недавнего времени отмечалась важная роль размера зерна аустенита, а, следовательно, температуры аустенитизации, иа формирование комплекса свойств мартенситно-стареющих сталей.

Влияние размера аустенитного зерна на пластичность и ударную вязкость состаренной стали проявляется с определенной величины исходного зерна. Это обусловлено изменением мест зарождения трещин - от аарождення иа частицах карбонитридов и оксисульфидов к зарождению на границах мартенситных пластин и аустенитных зерен. С понижением температуры аустенитизации повышаются прочностные свойства мартенситно-стареющей стали после старения, особенно если после закалки следует холодная пластическая деформация (рис. 115).

Отметим, что вышеперечисленные условия выдвигаются для случая, когда после закалки следует упрочняющая обработка - старение. Если закалку проводят в качестве смягчающей обработки перед последующей пластической деформацией, то эффективным оказывается применение закалки из двухфазной а+у-области с целью получения в Структуре стабилизированного аустенита, повышающего пластичность и ударную вязкость стали.

Большое виимаине уделяется методам борьбы с тепловым охруп-чиванием, причина которого заключается в появлении по границам аустенитного зерна при выдержке в аустеиитиой области илн замедленном охлаждении выделений карбонитридов Ti (С, N) (рис. 116), Мо (С, N), интерметаллидов FejMo, сульфидов типа TiSz, нитридов AlN, х-фазы или других фаз в зависимости от состава стали и температурно-времен-ных параметров обработки. Основные пути устранения зернограничного теплового охрупчивания, особенно распространенного при производстве крупных изделий, - применение многократных закалок, с нагревом до высоких температур, ускоренного охлаждения.

3. Области и перспективы применения

Область применения мартенситно-стареющих сталей определяется растущей потребностью ряда передовых областей техники в высокопрочных материалах. Однако сравнительно высокая стоимость (примерно в 5 раз выше стоимости легированных высокопрочных сталей) и дефицитность ряда основных легирующих элементов ограничивают применение сталей этого класса теми отраслями, где они являются крайне необходимыми, а иногда и незаменимыми.

Высокая хладостойкость позволяет применять мартенситно-стареющие стали для изготовления криогенных сие-тем, деталей авиационной техники (в том числе шасси), гидрокрыльев и т. п. Хорошее сопротивление хрупкому разрушению и весьма высокая прочность сварных конструкций в сочетании с коррозионной стойкостью позволяют использовать мартенситно-стареющие стали, особенно коррозион-ностойкие, для производства корпусов батискафов, химических сосудов, аппаратов и т. п.

Накоплено много данных о перспективности применения мартенситно-стареющих сталей в качестве пружинного материала.

Мартенситно-стареющие стали обладают высокой размерной стабильностью при термической обработке, т. е. практически не испытывают коробления. Поэтому из них можно изготавливать особо сложные и точные детали, (например, элементы пресс-форм для литья).

Совершенствование мартенситно-стареющих сталей ведется в трех основных направлениях: оптимизацией легирования, применением перспективных схем термической и термомеханической обработки, использованием мартенситно-стареющих сталей совместно с другими материалами.

В последние годы разработаны сверхвысокопрочные стали, отличительной особенностью которых является легирование 15-20 % Со и 6-15 % Мо при 8-25 % Ni. Это позволяет получить изделия со значением временного сопротивления около 3500 МПа.

Холодная пластическая деформация таких сталей в сочетании с последующим старением увеличивает значение сгв до 4000 МПа. Разумеется, такая высокая прочность сочетается с пониженными пластическими свойствами (ф-= 3-20 %).

Повысить пластичность и вязкость мартенситно-стареющих сталей разных систем легирования возможно путем качественной выплавки (использование двойных вакуумно-дуговых и вакуумно-индукционных переплавов и т. п.). Весьма полезным считается также микролегирование редкоземельными металлами и кальцием, поскольку при этом несколько ослабляется эффект зернограничного охрупчивания.

Совершенствование термической обработки ведется в направлении использования ступенчатой и многократной закалок, а также двойного старения (например, по режи -му 560 С, 1 ч--400 °С, 2 ч), цель которого добиться наиболее полного проявления упрочняющего эффекта старения.

в области применения термомеханической обработки перспективным представляется сочетание деформации стали в аустенитной области при температуре несколько выше точки Мд с целью получения мартенсита деформации и последующего старения. При этом механические свойства весьма высоки, поскольку мартенсит, образующийся в деформированном аустените, обладает повышенной дефектностью кристаллической решетки.

В последние годы мартенситно-стареющие стали нашли применение в композиционных материалах. В частности распространен композит алюминиевый сплав (матрица) - мартенситно-стареющая сталь (арматура).

Перспективно использование мартенситно-стареющих сталей в порошковой металлургии. Детали, изготовленные спеканием из Fe-Сг-Ni стали и карбида типа TiC, имеют твердость HRC 67, достаточную пластичность и вязкость и могут быть использованы, например, в условиях высокотемпературного контактного воздействия.

Глава XVIII ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ

Пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов, пружинящих деталей приборов и тлеханизмов, а также рессор различного типа.

i. Классификация и требования

По способу изготовления пружинные стали делят на стали, упрочняемые путем пластической деформации и последующего стабилизирующего отпуска (старения) и стали, упрочняемые путем закалки на пересыщенный твердый раствор и последующего отпуска (старения).

Пружинные материалы наиболее часто используют в виде проволоки или ленты, из которых затем путем навивки, резки или вырубки изготовляют пружины и пружинящие детали необходимой конфигурации.

При получении пружинной проволоки или ленты нередко применяют совмещенный способ упрочнения, включающий закалку на пересыщенный твердый раствор и пластическую деформацию с последую): . отпуском.

По назначению пружинные стали можно разделить на стали общего назначения, предназначенные для изготовления изделий, обладающих высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкостью, при достаточной пластичности и вязкости, а для пружин, работающих при циклических нагрузках, и высоким сопротивлением усталости. Рабочая температура таких пружин обычно не превышает J00-120С. Стали специального назначения, предназначенные для изготовления изделий, к которым кроме необходимого высокого комплекса механических свойств (предел упругости, сопротивление релаксации напряжений, пластичность и др.), предъявляют требования по обеспечению специальных физико-химических свойств (коррозионной стойкости, немагнитности, теплостойкости и др.). Температуры эксплуатации таких пружин находятся в интервале 200-400 °С и выше. В некоторых случаях необходимы пружины для работы при отрицательных температурах. Имеются высоколегированные пружинные сплавы с заданными коэффициентами линейного расширения, независимым от температуры модулем упругости (в определенном температурном интервале), с высоким или низким модулем упругости и др.

Требования к свойствам пружинных сталей определяются условиями работы пружин и механизмов, которые могу* быть исключительно разнообразны.

Наиболее общим требованием ко всем пружинным сталям является обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений).

Предел упругости пружинных сталей определяют при некотором допуске на остаточную деформацию (условный предел упругости), равном обычно 0,03-0,.005 %.

Высокая релаксационная стойкость пружинных сталей (сопротивление релаксации напряжений) обеспечивает точность и надежность i работы пружин и упругих элементов, постоянство во времени эксплуатационных свойств (например, крутящего момента, силовых параметров и т. п.).

Под релаксацией напряжений понимается самопроизвольное затухающее падение напряжений при постоянной суммарной дефрмации. Схематические кривые релаксации напряжений прн разных температурах представле-ны на рис. 117. Условием релаксации напряжений является зависимость

бе = ву -f би = const,

(40)