Классификация и принципы легирования

Мартенситно – стареющие стали делят на стали:

- общего назначения;

- стали специального назначения (нержавеющие стали).

Стали общего и специального назначения также имеют свои подгруппы классификации.

1. Стали общего назначения:

- умеренной прочности, экономнолегированные: s_в = 1000 – 2000 МПа; 0,04 – 0,10 % С, 4 – 12 % Ni, 1 – 3 % Mo, £ 1,5 % Al + Ti, 2 – 5% Cu.

- высокопрочные:

s_в = 2000 – 2500 МПа, 16 – 18% Ni, 8 – 10 % Co, 4 – 5 % Mo, 1 – 1,5 % Ti;

s_в = 2500 – 3500 МПа, 18% Ni, 13 – 15 % Co, 4 – 6 % Mo, 1 – 1,5 % Ti.

- сверхвысокопрочные: s_в ³ 3500, 10 – 13 % Ni, 15 – 18 % Co, 10 – 14 % Mo,

0,8 – 1,5 % Ti.

2. Коррозионностойкие.

- умеренной прочности экономнолегированные:

c высокой коррозионной стойкостью: 14 – 16 % Cr, 4 – 6 % Ni, 1,5 – 3,0 % Cu, £ 0,5 % Al + Ti.

c повышенной прочностью для слабоагрессивных сред: 11 – 13 % Cr, 7 – 9 % Ni, 1,5 – 3 % Mo, 1 - 2 % Al + Ti.

- высокопрочные: 11 – 14 % Cr, 5 – 9 % Ni, 5 – 8 % Co, 2 – 5 % Mo, £ 1,5 % Al + Ti.

- теплостойкие: 10 – 14 % Cr, 10 – 15 % Co, 5 – 7 % Mo.

Мартенситно – стареющие стали, являются высокопрочными и характеризуются высоким значением вязкости разрушения при одновременно высоком значении предела текучести. Вязкость разрушения мартенситно – стареющих сталей при одинаковом пределе текучести значительно превышает значения этого параметра для высокопрочных дисперсионнотвердеющих сталей.

Составы мартенситно – стареющих сталей регламентируются соответствующими техническими условиями ТУ.

В таблице 1 приведены химические составы и свойства некоторых мартенситно – стареющих сталей.

Таблица 1

Основными легирующими элементами в мартенситно – стареющих сталях являются: никель, кобальт, кобальт молибден.

При легировании железоникелевого мартенсита существенно изменяются температуры прямого – М_н (g a) и обратного – А_н (a g) превращения.

Мартенситно - стареющие стали общего назначения содержат 8 – 20 % Ni. При добавлении к железу 4 – 8 % Ni происходит снижение температуры g a - превращения, и после закалки образуется мартенсит замещения. Введение 8 – 12 % Ni с одновременным легированием титаном, алюминием, молибденом и др. элементами приводит к развитию старения благодаря уменьшению растворимости легирующих элементов в мартенсите; с повышением содержания никеля до 12 – 20 % увеличивается сопротивление хрупкому разрушению.

Легирующие элементы по эффекту упрочняющего влияния располагаются в следующем порядке: титан, бериллий, алюминий, вольфрам, молибден, медь. При этом изменение прочностных свойств при увеличении содержания легирующего элемента, как правило, не монотонно. При комплексном легировании аддитивного упрочнения не наблюдается: общая величина прироста прочности после старения, как правило, меньше, чем при раздельном легировании.

Положительно влияет комплексное легирование при совместных добавках молибдена и кобальта – в этом случае интенсивность упрочнения при старении существенно возрастает. Такое влияние кобальта связывают с уменьшением растворимости молибдена в a - железе, а также с протеканием процесса упорядочения в системе Fe – Co с образованием областей ближнего порядка. Кроме того, кобальт увеличивает теплостойкость матрицы.

Также существует отдельная группа экономнолегированных сталей, не содержащих кобальт и имеющих в составе пониженное количество никеля и молибдена при повышенном содержании углерода.

Титан и алюминий относятся к наиболее эффективным упрочнителям мартенситно – стареющих сталей. Растворимость их в a - фазе мала, и в присутствии никеля при нагреве происходит выделение дисперсных фаз Ni₃Ti, NiAl и т.п. однако титан и алюминий резко понижают пластичность, вязкость и сопротивление хрупкому разрушению, поэтому суммарное количество титана и алюминия обычно не превышает 1 %. Понижение пластичности мартенситно – стареющих сталей при увеличении содержания титана связано с образованием при охлаждении в интервале температур 1000 – 800 ^оС карбонитрида Ti(C, N) по границам аустенитных зерен.

В отличие от титана и алюминия молибден не оказывает столь сильного охрупчивающего воздействия и поэтому он присутствует в составе практически всех мартенситно – стареющих сталей. При содержании свыше 3 % Mo старение приводит к образованию частиц фаз Ni₃Mo, (Fe, Ni)₂Mo, (Fe, Co)₂Mо за счет которых обеспечивается благоприятный комплекс механических свойств.

В экономнолегированных мартенитно – стареющих сталях с повышением содержания углерода до 0,1 % в качестве упрочняющей фазы могут присутствовать карбиды легирующих элементов.

К Цупакава и Н Уэхара предложили обобщенные эмпирические зависимости для определения влияния легирующих элементов на механические свойства высокопрочных мартенситно – стареющих сталей типа Н18К8М5Т:

s_в = 11+42,4 % Ni + 158,5 % Mo + 37,7 % Co + 322,4 % Ti.

d = 44,12 – 0,46 % Ni – 2,42 % Mo – 0,60 % Co – 5,20 % Ti.

Подобные зависимости позволяют качественно оценить влияние легирующих элементов на формирование комплекса свойств стали.

Суммарное упрочнение мартенситно – стареющих сталей складывается из упрочнения твердого раствора путем легирования, упрочнения при пластической деформации (если таковая реализуется) и старения.

Одним из главных преимуществ мартенситно – стареющих сталей перед другими высокопрочными материалами является высокие сопротивление хрупкому разрушению и сопротивление развитию трещины.