тнзации и закалки в больших сечениях, а также склонность таких сталей к разупрочнению при нагреве.

В сверхмелкозернистых сталях и сплавах при определенных температурах н скоростях нагружения можно получить аномально высокие значения относительного удлинения (явление сверхпластичяости).

6. ПНП-стали

Высокопрочные стали с пластичностью, наведенной превращением, в отечественной литературе получили название ПНП-сталей (пластичность, наведенная.превращением), а в зарубежной литературе трип-сталей (TRIP - transformation induced plasticity). Принцип их получения и способы упрочнения состоят в следующем.

Соответствующим подбором легирующих элементов снижают мартеиситные точки Мн и Мп ниже комнатной температуры. Таким образом, после закалки такие стали имеют аустенитную структуру. Для получения повышенных прочностных свойств стали подвергают пластической деформации в интервале температур 250-550 °С (ниже температуры рекристаллизации) с большими степенями обжатия (до 80%)- При этом мартеиситные точки Мв и Л1д повышаются и точка Мд становится выше комнатной температуры (точка Мв остается ниже комнатной температуры). Повышение мартенситной точки Мд может быть усилено посредством легирования стали мартенситообразующими элементами, выделения карбидов при пластической деформации, изменения состава мартенсита и дополнительным повышением мартенситных точек Мн и Мк. После охлаждения стали от температуры теплого деформирования сталь сохраняет структуру деформированного аустенита, но этот аустенит уже становится метастабильным по отношению к пластической деформации при комнатной температуре. Деформация такого аустенита (например, при механических испытаниях) приводит к образованию мартенсита деформации (уа-превращение) во время испытания, чтв сопровождается увеличением прочностных свойств и значительным ростом относительного удлинения. В этом случае образующийся мартенсит затрудняет образование шейки при растяжении благодаря упрочнению в месте ее образования, и деформация образца долгое время носит равномерный характер.

ПНП-стали легируют такими элементами как марганец, кремнии, молибден, хром, ванадий, вольфрам, никель. Содержание углерода в высокопрочных ПНП-сталях составляет 0,3 %. В ряде случаев используют стали е высоким (выше 20 %) никелем. Известны (Закей и Паркер) ПНП-стали, содержащие 0,25 % С; 24 % N1 и 4,0 % Мо или 0,24 % С; 21,0 % Ni; 2,0 % Мп; 2,0 %Si; 4,0 % Мо.

Для получения повышенных прочностных свойств ПНП-стали подвергают дополнительной холодной пластической деформации с развитием у-*-а-превращения в процессе деформации. При этом прочностные свойства стали продолжают расти, а пластичность уменьшается. Так, сталь с 0,3 % С; 2 % Мп; 2 % Si; 9 % Сг; 8,5 % N1 и 4,0 % Мо после прокатки при 425 °С со степенью деформации 80 % имеет Ств=1500 .МПа, 00,2=1430 МПа и 6=50%, а после дополнительной холодной прокатки состепенью деформации 15% огв=1750 МПа, (7о,2=1620 МПа с более низкими значениями относительного удлинения.

Для некоторых ПНП-сталей применяют дополнительные охлаждение н деформацию прн низких температурах (до -196 С) с последующим отпуском при 350-400 °С, при этом частично получают мартенсит де-

формации до механических испытаний. При такой обработке можно получить 00,2=2000 МПа н 6 = 20-25 %.

Достоинством ПНП-сталей являются высокие значения вязкости разрушения Ки. Высокие значения вязкости разрушения для ПНП-сталей обусловлены поглощением энергии деформации при фазовом Ya-превращенни. ПНП-стали имеют высокое сопротивление усталостному, а также коррозионному разрушению. Это связано с образованием мартенсита при продвижении трещины н релаксацией (jfM/Ia напряжений в вершине трещины.

На рис. 142 показаны уровни прочности н пластичности, достигаемые в высокопрочных сталях различных классов и способов обработки. ПНП-стали имеют при сопоставимой прочности более высокую пластичность.

К недостаткам ПНП-сталей относятся значительные трудности, связанные с осуществлением большой пластической деформации при теплой деформации, трудность контроля состава стали, обеспечивающего необходимые характеристики превращения, высокая стоимость, особенно в случае использования высоконикелевых сталей, ограничения по сортаменту (лист, проволока, пруток). ПНП-стали можно использовать для производства ответственных деталей, высокопрочных крепежных изделий, а также высокопрочной проволоки и тросов. Работами И. Н. Богачева с сотрудниками принцип ПНП положен в основу создания кавитационностойких сталей (см. гл. XX, п. 2).

Рис. 142. Значения прочности н пластичности ПНП-сталей по сравнению с другими высокопрочными сталями (В. Закэй):

/ - стали после ВТМО; 2 -после ТМО и деформационного старения; 3 -мартенсит-ностареющие стали; 4 - высокопрочные низколегированные стали; 5 - ПНП-стали

Глава XX

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

1. Криогенные стали

К криогенным относятся стали, используемые в машинах и оборудовании для получения, хранения и транспортирования сжиженных газов с температурой кипения от -80

до -269 °С. Криогенные стали следует отличать от сталей северного исполнения (до -70 °С).

Основным требованием, предъявляемым к криогенным сталям, является гарантированный запас пластичности и вязкости разрушения при рабочих температурах. Материал в условиях низких температур не должен обладать склонностью к хрупкому разрушению, т. е. интервал рабочих температур должен находиться выше порога хладноломкости стали. В общем случае, чем больше разница между температурой эксплуатации и порогом хладноломкости, тем выще запас вязкости материала.

В большинстве случаев в качестве криогенных материалов применяют аустенитные Сг-Ni, Сг-Мп, Сг-Ni- Мп стали, а также ферритные стали, легированные никелем.

Аустенитные хромоникелевые стали

Нержавеющие хромоникелевые стали, содержащие 18- 20 % Сг и 8-12 % Ni (гл. XXII, п. 2) сохраняют аустенит-ную структуру при охлаждении вплоть до криогенных температур, однако аустенит таких сталей нестабилен, т. е. способен претерпевать под влиянием пластической деформации мартенситное превращение, в результате которого в структуре могут возникать мартенситные фазы. Увеличение содержания хрома и никеля в сталях типа 18-8 приводит к снижению температурного интервала мартенситного -превращения и уменьшает интенсивность мартенситных превращений при деформации. Аустенитные хромоникелевые стали имеют невысокую прочность при комнатной температуре. Хромоникелевые стали для службы при криогенных температурах упрочняют холодной пластической деформацией, однако повышение прочностных характеристик в результате деформации сопровождается снижением пластических свойств (рис. 143), особенно сильно у сталей с нестабильным аустенитом, содержащих 8-10 % Ni.

В процессе холодной пластической деформации хромоиикелевых аустенитных сталей наряду с образованием а-мартеисита возникает е-мартеисит с г. п. у. решеткой.

В тех случаях, когда требуется сохранить высокие механические свойства вплоть до температуры абсолютного нуля в отсутствие ферромагнитных фаз, применяют хромоникелевые стали с содержанием 18- 25 % Сг и 14-25 % Ni. Высокое содержание хрома и никеля в этих сталях делает аустеинт стабильным, полностью подавляя мартенситные превращения в процессе холодной пластической деформации и при эксплуатации.

Влияние температуры испытания на механические свойства хромо-никелевых аустенитных сталей показано иа рис. 144. В стали 08Х18Н20 со стабильным аустенитом наблюдается примерно одинаковый темп возрастания значений Оо,2 и Ов прн понижении температуры испытаний. Иной характер температурной зависимости прочностных свойств присущ стали 08Х18Н10, претерпевающей в ходе низкотемпературной пластической деформации у->-8->а-превращеиие. Значения Оо.г при понижении температуры изменяются в стали 08Х18Н10 примерно так же, как н в

КС0,МДЖ1М

О 10 20 30 40 50е,%

-250 -150 -50 0*50-250-150 -50 0*50 Температура, О

Рис. 143. Влияние степени холодной пластической деформации е иа механические свойства стали 08Х18Н8 (А. В. Третьяков, В. И. Зюзии)

Рис. 144. Влияние температуры испытания иа механические свойства хромоиикелевых аустенитных сталей:

08Х18Н10 (а); 08Х18Н20 (6) (А. П. Гуляев)

стали 08Х18Н20, а значение Ов растет значительно быстрее в первой стали благодаря сильному упрочняющему влиянию а- и е-мартенситных фаз. Несмотря на монотонное снижение значений ударной вязкости хромоиикелевых аустенитных сталей они сохраняют вязкий излом и значения кси не менее 1,0 МДж/м вплоть до температуры кипения жидкого гелия (-269°С). Вследствие высокого сопротивления хрупкому разрушению аустенитные хромоникелевые стали применяют до температуры -269 °С.

Хромолшрганцевые и хромоникельмарганцевые стали

Аустенитные хромоникелевые стали из-за высокого содержания дефицитного никеля (8-20%) достаточно дорогие. В последнее время в СССР и за рубежом интенсивно ведут исследования в целях создания криогенных аустенитных сталей, в которых никель частично или полиостью заменен марганцем. Марганец, как и никель, увеличивает стабильность аустенита относительно мартенситного превращения при охлаждении и холодной пластической деформации, снижая температуры точек Ми и Мд сталей. Поскольку марганец в определенных количествах в противоположность никелю снижает энергию дефектов упаковки аустеннта и обладает более слабым аустенитообразующим действием, хромомарганцевые стали более склонны к мартенситным превращениям, чем хромоникелевые. При полной замене никеля марганцем возрастает опас-

ность хрупкого разрушения, свойственная многим марганцевым сталям при низких температурах. По этой причине, а также для повышения прочностных свойств аустенитные стали на хромомарганцевой основе дополнительно легируют никелем или азотом, а часто обоими элементами совместно. Хромоникельмарганцевые стали, содержащие азот, можно рассматривать как криогенные стали повышенной прочности, так как они имеют значительно более высокие значения предела текучести при комнатной температуре, чем аустенитные хромоникелевые стали. В табл. 28 приведены механические свойства некоторых нз наиболее рас-

Таблица 28. Механические свойства (средние) хромоникельмарганцевых и хромомарганцевых аустенитных криогенных сталей

пространенных Сг-Мп, Сг--Ni-Мп криогенных сталей. Аустенитные Сг-Мп, Сг-Ni-Мп стали по прочностным и пластическим свойствам не уступают хромоникелевой стали 08Х18Н10. Благодаря более низкой стоимости хромомарганцевые стали могут успешно конкурировать с хромоникелевыми сталями. При операциях, связанных с изготовлением или упрочнением деталей способом холодной пластической деформации, следует учитывать большую склонность хромомарганцевых аустенитных сталей к наклепу по сравнению с хромоникелевыми даже в отсутствие мартенситных превращений в процессе деформации.

Термическая обработка криогенных аустенитных сталей на основе системы Сг-Мп состоит обычно из закалки от 1050-1150 °С с охлаждением в воде для фиксации гомогенного твердого раствора.

Аустенитные хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали рекомендуется применять в криогенном машиностроении при температурах эксплуатации не ниже -196°С.

Ферритные стали, легированные никелем

Широкое распространение в качестве конструкционного материала для службы при низких температурах получили низкоуглероднстые стали F-Ni, содержащие 3,5-9 % Ni. Никелевые стали обладают хорошей технологичностью и имеют более высокие прочностные свойства по сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями.

Как было показано ранее (см. гл. IV, п. 4), легирование никелем, уменьшая энергию взаимодействия дислокаций с атомами примесей внедрения в кристаллической решетке железа, эффективно снижает порог хладноломкости железа и повышает работу развития трещины в усло-

ВИЯХ вязкого разрушения (1 % Ni снижает порог хладноломкости примерно на 20 °С). Экономнолегированные никелевые стали выбирают исходя из температурных условий работы конструкций:

Содержание никеля, %..... 3-4 5-6 6-9

Температурная область применения,

С . ........... -120 -150 -196

Практическое применение для изготовления криогенного оборудования получили стали с 6 (0Н6) и 9% Ni(0H9) (табл. 29). Эти стали обычно подвергают нормализации (Н) или двойной нормализации с отпуском (ДНО).

Таблица 29. Состав и механические свойства ферритных криогенных сталей (А. П. Гуляев)

Примечание. В числителе приведены свойства прн 20°С, в знаменателе- прн -196 С.

Двойная нормализация обеспечивает наилучшее сочетание свойств сталей 0Н6 и 0H9. Первую нормализацию от 900 °С проводят с целью гомогенизации -твердого раствора стали, а вторую -от 790 °С (примерно на 50 °С выше точки АСз) - для получения мелкозернистой структуры. Отпуск повышает ударную вязкость при низких температурах (до -196°С). В процессе отпуска происходит растворение карбидной фазы с образованием небольшого количества (до 12%) аустенита, стабильного при охлаждении до весьма низких температур. Микроструктура сталей после отпуска должна состоять из обогащенного никелем феррита и участков аустенита.

Благодаря хорошей свариваемости, достаточной прочности н ударной вязкости стали 0Н6 и 0Н9 эксплуатируют в СССР н за рубежом до температуры -196 °С.

2. Износостойкие, стали

Износ в общем случае можно охарактеризовать как процесс изменения размеров, формы, массы или состояния поверхностного слоя под влиянием внешней среды. Износ может вызываться трением поверхностей деталей машин одна о другую или воздействием на поверхность рабочей среды потоков жидкости, газа или контакта поверхности