Структура и механические свойства улучшаемых легированных сталей

Свойства улучшаемой стали зависят от прокаливаемости, т.е. от структуры по сечению изделия после закалки.

При полной (сквозной) прокаливаемости структура по всему сечению - мартенсит. При неполной (несквозной) прокаливаемости наряду с мартенситом образуются немартенситные продукты распада аустенита (верхний и нижний бейнит, феррито – перлитная смесь).

Наиболее высокие механические свойства достигаются после высокого отпуска исходной структуры мартенсита. Если сталь имеет другие структуры, то некоторые свойства могут ухудшаться, например, температура порога хладноломкости и сопротивление вязкому разрушению (работа развития трещины).

На рисунке 1 для хромомолибденовой стали с содержанием от 0,18 до 0,30 %С приведены значения температуры перехода после высокого отпуска разных исходных структур. Подбором температуры отпуска временное сопртивление стали при всех исходных структурах было достигнуто одинаковым (s_в ~ 700 МПа). При этом наиболее низкий порог хладноломкости имела сталь, закаленная на мартенсит (а); сталь со структурой бейнита (верхнего) после отпуска имеет порог хладноломкости на 50 ^оС выше, а со структурой перлита – еще на 100 ^оС выше. При всех исходных структурах повышение содержания углерода приводит также к повышению Т_пр.

Сравнивая свойства отпущенного мартенсита и отпущенного бейнита, следует разделять влияние верхнего и нижнего бейнита.

В таблице № 1 приведены данные о влиянии исходной структуры (смеси структур) на механические свойства высокоотпущенной стали 18Х2Н4МФА.

Таблица № 1

Испытания на растяжение с определением s_в, s_Т, d и Y не выявляют влияния бейнитных составляющих структуры в смеси с мартенситом. При этом указанные свойства практически не меняются. Появление феррито – перлитной смеси понижает прочность и пластичность стали. Значительно более сильную структурную чувствительность имеют характеристики сопротивления разрушению (Т₅₀ и KCT). Нижний бейнит (до 50%) в смеси с мартенситом повышает сопротивление хрупкому разрушению – порог хладноломкости снижается на 30 ^оС. Это обусловлено однородным распределением карбидов и мелкоигольчатой структурой нижнего бейнита, в результате чего создаются препятствия при распространении трещины скола. Нижний бейнит в таких количествах не ухудшает сопротивление стали вязкому разрушению.

Существенное снижение характеристик сопротивления разрушению вызывает верхний бейнит и продукты распада аустенита в перлитной области. При такой структуре существенно повышается порог хладноломкости и резко падает работа распространения трещины. Это связано с тем, что высокотемпературные продукты распада аустенита – верхний бейнит и перлит – имеют после отпуска в структуре грубые неоднородно распределенные карбидные включения, в результате чего скол может непрерывно распространяться на значительные расстояния, составляющие несколько зерен.

Влияние остаточного аустенита на свойства стали после отпуска может быть двояким. Если остаточный аустенит распадается при отпуске на феррит и карбид, то это вызывает охрупчивание стали. Стабилизированный остаточный аустенит, не разлагающийся при отпуске, расположенный между пластинами мартенсита в виде тонких прослоек сильно повышает вязкость разрушения (K_IC) высокопрочных сталей.

Таким образом, если после закалки в изделиях получается структура мартенсита в смеси с нижним бейнитом (до 50 %), то свойства стали не ухудшаются. Появление же наряду с мартенситом или нижним бейнитом высокотемпературных продуктов распада – верхнего бейнита и феррито – перлитной смеси – снижает значения сопротивления стали хрупкому и вязкому разрушению.