Метастабильные аустенитные стали
Многие детали машин, работающие в контакте с быстротекущим потоком жидкостей (лопасти турбины гидростанций, судовые гребные винты, лопасти насосов, системы охлаждения различных агрегатов и т.п.) подвергаются кавитационной эрозии. Под воздействием многократных и гидравлических ударов, локализованных в микрообъемах поверхности, происходит пластическая деформация, а затем и разрушение, эрозия металла.
Высокая способность марганцевого аустенита к деформационному упрочнению использована при разработке хромомарганцевых нестабильных аустенитных сталей с высокой кавитационной стойкостью. Наибольшим сопротивлением кавитационному воздействию обладают метастабильные аустенитные стали на хромомарганцевой основе, которые под влиянием внешней нагрузки претерпевают мартенситное превращение.
Мартенситное превращение, вызванное деформацией, в аустенитных сталях может развиваться, если деформацию проводят ниже температуры МД. Положение температур МН и МД рассматривается как условный показатель стабильности аустенита. При равном положении мартенситных точек и одинаковом содержании углерода образование мартенсита при деформации протекает более интенсивно в марганцевых и хромомарганцевых сталях, чем в никелевых и хромоникелевых. Мартенситные превращения в хромомарганцевых сталях развиваются по схемеg e - a, при этом обычно в случае малых степеней деформации инициируется g e -, а при больших g a -, а также e a - превращение.
Кавитационная стойкость находится в прямой зависимости от способности стали к упрочнению в процессе внешнего воздействия рабочей среды. Роль мартенситных превращений в повышении кавитационной стойкости заключается не только в том, что кристаллы мартенсита создают высокий уровень упрочнения и обладают повышенным сопротивлением разрушению, но и в том, что в процессе мартенситного превращения происходит релаксация напряжений. Мартенсит деформации отличается от мартенсита охлаждения более высокой дисперсностью и большей прочностью кристаллов.
Кавитационностойкие стали 30Х10Г10 и 0Х14АГ12, имеющие метастабильную аустенитную структуру, обладают активной кинетикой мартенситообразования при деформации. Равномерная деформация и разрушение поверхностного слоя деталей с метастабильным аустенитом приводят к тому, что на поверхность выступает новый слой, в котором под действием гидравлических ударов снова образуется мартенсит. Многократное повторение этого процесса обусловливает очень медленное развитие разрушения, т.е. высокую эксплуатационную стойкость.
Химический состав и механические свойства метастабильных хромомарганцевых аустенитных сталей приведены в таблице 4.
Таблица 4
Марка стали | Назначение | Содержание основных элементов, % | Режим термической обработки | Механические свойства | |||||||
С | Сr | Mn | Другие элементы | sв, МПа | s0,2, МПа | d, % | y, % | KCU, МДж/м2 | |||
0Х14АГ12М | Кавитацион-ностойкая | £0,1 | 12-14,5 | 11-13 | 0,08-0,2Ni 0,5-1,0Mo | Нормализация 1050 оС | 280-440 | 660-930 | 25-50 | 23-48 | 2,3-3,4 |
30Х10Г10 | 0,28-0,32 | 9-11 | 9-11 | - | Закалка 1100 оС | 250-420 | 600-750 | 10-16 | 12-17 | 0,7-2,2 | |
60Х5Г10Л | Износостойкая | 0,6-0,7 | 4-6 | 9-11 | - | Закалка 1150 оС | 410-450 | 500-700 | 8-15 | 10-18 | 0,5-1,5 |
Образование мартенсита в процессе механических испытаний метастабильных хромомарганцевых аустенитных сталей обеспечивает им более высокие значения sВ и значительное снижение пластических характеристик по сравнению с более стабильным аустенитом стали 12Х18Н10Т. Повышенная способность к упрочнению хромомарганцевых метастабильных аустенитных сталей обусловливает значительно более высокую кавитационную стойкость этих сталей по сравнению со сталью 08Х18Н8, стабильной в данных условиях воздействия.
Принцип метастабильности аустенита был использован также для повышения стойкости стали при работе в условиях ударно – абразивного изнашивания. Поскольку износостойкость марганцевого аустенита в значительной степени обусловлена его способностью к деформационному упрочнению, выигрыш от применения хромомарганцевых метастабильных аустенитных сталей достигается благодаря эффективному механизму упрочнения вследствие образования достаточного количества мартенсита деформации, кроме действующего в стали 110Г13Л основного механизма наклепа аустенита.
Содержание углерода в хромомарганцевой метастабильной аустенитной стали, обеспечивающее активное действие двух основных механизмов упрочнения, должно находиться в пределах 0,5 – 0,8 % С при 7 – 10 % Mn и 3 – 6 % Cr.
Сталь 60Х5Г10Л (МН = - 50 – 70 оС) обладает более высокой стойкостью при циклическом контактно – усталостном нагружении и ударно – абразивном изнашивании по сравнению со сталью 110Г13Л. Пластическая деформация вызывает в образцах метастабильной аустенитной стали 60Х5Г10Л развитие g e a - превращения с образованием свыше 30 % a - мартенсита после 105 циклов нагружения, в то время как сталь 110Г13Л сохраняет аустенитную структуру.
Высокая стойкость метастабильных хромомарганцевых аустенитных сталей в процессе кавитационного и циклического контактно – ударного нагружения достигается в том случае, когда обеспечивается оптимальная для данного способа деформации кинетика мартенситных превращений – достаточно интенсивное и равномерное образование мартенситных фаз в течение всего периода работы.
15.4 Немагнитные стали повышенной прочности
Аустенитные стали парамагнитны, однако имеют низкие значения предела текучести (150 – 350 МПа), что затрудняет их использование в качестве материала высоконагруженных деталей и конструкций.
Повышенные прочностные свойства, соответствующие уровню свойств конструкционных улучшаемых сталей, достигаются на сталях аустенитного класса холодной или теплой пластической деформацией; упрочнением в результате дисперсионного твердения, упрочнением посредством фазового наклепа при последовательном проведении прямого и обратного мартенситногоg a g - превращений.
Аустенитная сталь 50Г18Х4, из которой изготавливаются бандажные кольца роторов электрогенераторов, применяется в состоянии после холодного или теплого наклепа. В наклепанном состоянии сталь 50Г18Х4 обладает следующими механическими свойствами: s0,2 = 1100 МПа, d = 30% и y = 50%. Примерно такой же комплекс механических свойств достигают на стали 50Г18Х4, легированной ванадием в результате выделения дисперсных карбидов VC в процессе старения при температуре 650 оС.
Высокий комплекс механических свойств достигается на метастабильных сталях системы Fe – Ni – Ti (0,03 – 0,05 % С, 24 – 26 % , 1,5 – 3,0 % Ti), после комбинированного упрочнения фазовым наклепом и старением. После низкотемпературного старения (500 – 600 оС) фазонаклепанного аустенита вследствие выделения высокодисперсных частиц g¢ - фазы, когерентно связанных с матрицей, в стали Н24Х2Т3 достигнут следующий комплекс механических свойств: s0,2 = 900 МПа; sВ = 1150 МПа; d = 25 %; y = 55 %.
Один из основных путей повышения прочности немагнитных сталей состоит в использовании парамагнитного e - мартенсита, образующегося в низкоуглеродистых сталях с 16 – 22 % Mn. Двухфазные (g + e) стали типа 05Г20 имеют после закалки более высокие прочностные свойства по сравнению с однофазными аустенитными сталями: s0,2 = 370 - 450 МПа; sВ = 750 – 950 МПа; d = 30 -40 %; y = 35 - 60 %.
Дата добавления: 2018-09-24; просмотров: 2193;