Структура и свойства легированного аустенита

В железоуглеродистых сталях аустенит, как стабильная структурная составляющая, существует лишь при темпера­турах выше Ас₃. В специальных легированных сталях бла­годаря влиянию легирующих элементов на расширение g–области, увеличению устойчивости переохлажденного аус­тенита и понижению мартенситной точки аустенит может быть одной из главных структурных составляющих сталей в состоянии их эксплуатации. Поэтому знание свойств ле­гированного аустенита наиболее важно для таких высоко­легированных сталей, как нержавеющие, жаропрочные, не­магнитные и др.

Изменение свойств аустенитных сплавов при легиро­вании может быть обусловлено как влиянием легирующих элементов на свойства собственно твердого раствора – аус­тенита, так и их влиянием на стабилизацию аустенита к фа­зовым переходам, т. е. легирование может вызывать пре­вращение аустенита с образованием других фаз (например, a – и e – фаз в сплавах Fe–Mn и a –фазы в сплавах Fe–Ni). Легированный аустенит под­разделяют на стабильный и нестабильный. При температуре выше начала мартенситного превраще­ния М_н нестабильный аустенит способен к фазовому прев­ращению– образованию мартенсита в результате прило­жения внешней нагрузки (деформации), т.е. деформация нестабильного аустенита вызывает мартенситное превраще­ние, также, как и охлаждение его ниже М_н. Стабильный аустенит не претерпевает фазового превращения под влия­нием деформации, при этом изменяется лишь его структура. В зависимости от того, какие легирующие элементы, входя в состав аустенита и каково их количество, изменяется ус­тойчивость аустенита к распаду при деформации, т.е. сте­пень его нестабильности.

В этом разделе рассмотрено влияние легирования на свойства собственно аустенита, т. е. легирование стабиль­ного аустенита.

Изменение свойств собственно аустенита при легирова­нии в общих чертах описывается теориями упрочнения твердых растворов. Так, упрочнение, определяемое пара­метром несоответствия по размерам, хорошо иллюстриру­ется рис.1.7, на котором представлена зависимость измене­ния твердости ∆HV от параметра решетки ∆а хромоникелевого аустенита при введении в него 1 % легирующих элементов замещения и внедрения. Упрочнение тем боль­ше, чем больше это несоответствие. Однако для элементов внедрения (С, М) и замещения (Мn, V, Со, Мо, W, А1, Сг, Ni, Si) эффективность упрочнения при одинаковых значе­ниях а различна. Наибольший вклад в упрочнение аусте­нита вносят элементы внедрения, особенно азот. В отличие от a–железа растворимость азота в легированном аустените значительно выше и может превышать 1 % при комнат­ной температуре.

Эффективность влияния легирующих элементов на свойства аустенита определяется базовыми аустенитными; композициями, на которых основан данный аустенит. Та­кими основными композициями являются Fе–Ni; Fе–Мn; Fе–Сг–Ni; Fе–Сг–Мn; Fе–Сг–Ni–Мn. Главными аустенитообразователями во всех перечисленных аустенит­ных композициях являются никель и марганец, а аустенит, полученный на их основе, называют соответственно никеле­вым и марганцовистым. Свойства их существенно различа­ются.

В работах И. Н. Богачева с сотрудниками установлено (рис. 1.8), что деформационное упрочнение значительно сильнее про­является на марганцевом стабильном аустените (Г38), чем на стабильном никелевом (Н36). Особенно существенно это различие при высоких степенях деформации.

Рисунок 1.7 – Зависимость упрочнения аусте­нита (DНV) от изменения параметра решетки (Dа) при легировании хромоникелевого аустенита 1 % (ат.) раз­личных элементов

Рисунок 1.8 – Зависимость твердости HV марганцевого (Г38) и никелевого (Н36) аустенита от степени пластической де­формации e

Так, де­формация e = 50 % повышает твердость никелевого аусте­нита в 1,5 раза, а марганцевого в 2,6. Особенностью мар­ганцевого аустенита является его хладноломкость при низ­ких температурах (рис. 1.9), что аномально для сплавов с ГЦК решеткой. В никелевом аустените резкого падения ударной вязкости при всех температурах испытания вплоть до –196 °С не наблюдается. Легирование аустенита может влиять на его свойства. Так, введение хрома в марганце­вый аустенит заметно уменьшает его склонность к хрупким разрушениям, а легирование никелем практически не вли­яет на порог хладноломкости.

1 – сплав Г40; 2 – Г40Н10; 3 – Г40Х10; 4 – Н36

Рисунок 1.9 – Зависимость ударной вязкости от температуры испытания марганце­вого (1–3) и никелевого (4) аустенита (И. Н. Богачев)

Существенная разница в свойствах марганцевого и никелевого аустенита объясняется различными значениями энергии дефектов упа­ковки (ЭДУ) в этих сплавах. В марганцевом аустенитезначение энергии дефектов упаковки заметно меньше, чем в никелевом аустените. Как известно, энергия дефектов упаковки – одна из важнейших харак­теристик дислокационной структуры, определяющей свойства аустенита. Так, подвижность дислокации (способность их к поперечному скольже­нию, легкость пересечений) зависит от энергии дефекта упаковки. При этом в сплавах с ГЦК решеткой этот фактор играет в упрочнении большую роль, чем взаимодействие дислокации с атомами внедрения и замещения и силы трения решетки.

Показателем энергии дефектов упаковки является вероятность их образования, а чем больше вероятность образования дефектов упаковки в сплаве, тем меньше энергия дефектов упаковки. В марганцовистом аустените значения энергии дефектов упаковки ниже, а вероятность их образования выше, чем в никелевом аустените (рис.1.10).

А это однозначно указывает на пониженную подвижность дислокации, и, следова­тельно, более интенсивное деформационное упрочнение марганцовистого аустенита.

Необходимо отметить, что, изменяя содержание никеля и марганца в аустенитных сплавах на базе других композиций, можно существен­но менять энергию дефектов упаковки в аустените, т.е. изменять спо­собность аустенита к упрочнению при пластической деформации. При этом легирование аустенита марганцем будет приводить к увеличению коэффициента деформационного упрочнения аустенитных сталей, а ле­гирование никелем, наоборот, уменьшать такое упрочнение. В чем при­чина такого влияния марганца на энергию упаковки аустенита, т. е. на его повышенную способность к деформационному упрочнению?

Рисунок 1.10 – Зависимость вероятности об­разования (а) и энергии дефектов упа­ковки (ДУ) марганцевого (Г38) и ни­келевого (Н36) аустенита от темпера­туры деформации

Как установлено В. С. Литвиновым при исследовании межатомно­го взаимодействия в сплавах методом ядерной гамма–спектроскопии (эффект Мессбауэра), основная роль марганца заключается в измене­нии взаимодействия атомов железа между собой. Под влиянием мар­ганца происходит перераспределение внешних электронов от атомов железа к атомам марганца, в результате чего d–электроны атомов же­леза принимают большее участие в связи. Изменение характера про­странственного распределения электронов является основным факто­ром в определении свойств железомарганцевых сплавов. Низкие значения энергии дефектов упаковки, большая вероятность их образования и высокое упрочнение марганцевого аустенита – результат проявления характера межатомного взаимодействия в таких сплавах. Противопо­ложный характер перераспределения электронов между атомами ком­понентов в сплавах Fе–Мn и Fе–Ni обусловливает различие в свой­ствах аустенита и мартенсита этих сплавов.

Причиной хладноломкости железомарганцевого аустенита является фазовый переход I рода – при этих темпе­ратурах гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) переходит в гранецентрированную тетрагональную решетку (ГЦТ). Пока сохра­няется кубическая фаза, аустенит хладостоек, при появлении тетрагональных искажений у плотноупакованной структуры он становится хладноломким. Такие искажения в решетке обусловлены локализацией связи при понижении температуры. Следовательно, последнее является основной причиной хрупкости при низких температурах железомарганцевого аустенита.

Таким образом, особые свойства марганцевых аустенитных сталей и сплавов связаны с характером межатомного взаимодействия в их ре­шетке.