» » Влияние температуры закалки на фазовый состав и свойства хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых сталей
26.10.2015

В отличие от однофазных ферритных и аустенитных нержавеющих сталей двухфазные феррито-аустенитные стали не склонны к большому росту зерна в результате высокотемпературных нагревов, имеющих место, например, при сварке, пайке и т. д. Обычно причину хрупкости ферритных сталей типа 0Х17Т, Х25Т объясняют превращением внутри α-твердого раствора («475°-ная хрупкость») и укрупнением зерна после высокотемпературных нагревов, что органнчивает применение этих сталей для сварной аппаратуры. Вторая структурная составляющая — аустенит в двухфазных феррито-аустенитных сталях ограничивает рост ферритных зерен и способствует сохранению пластичности после высокотемпературных нагревов.
На рис. 13 приведены для сравнения микроструктуры хромомарганцевой и хромомарганцевоникелевой стали. После высокотемпературной закалки (1200° С) безникелевая хромомарганцевая сталь, содержащая 20% хрома и 8% марганца, имеет крупнозернистую ферритную структуру (величина зерна I—2 балл), так как при этой температуре нет второй фазы (аустенита), ограничивающей рост ферритного зерна
Влияние температуры закалки на фазовый состав и свойства хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых сталей

В хромомарганцевоникелевой стали, содержащей 20% хрома, 8% марганца и 2% никеля, вторая структурная составляющая — аустенит, сохраняющаяся при 1200° С, сдерживает рост ферритных зерен при высокотемпературных нагревах (величина ферритного зерна после закалки с 1200° — 4—5 балл).
Соотношение α- и γ-фаз в двухфазных сталях, зависящее от состава стали (соотношения феррито- и аустенитообразующих элементов) и температуры, меняется в широких пределах и не может не оказывать влияния на свойства этих сталей.
Структурные диаграммы, приведенные на рис. 12, дают сведения о границе фазовых областей α и α+γ, но не отражают количественного соотношения фаз в α+γ-области. В хромомарганцевоникелевых сталях, сохраняющих двухфазность во всем температурном интервале, соотношение α- и γ-фаз в большей степени зависит от содержания хрома и температуры. Так, разница в содержании хрома в 2% ведет к увеличению α-фазы на 20%. Повышение температуры до 1200° С в стали с 18% хрома приводит к повышению α-фазы до 60%, в стали с 20% хрома — до 80%.
Чувствительным показателем структурных количественных изменений, происходящих в результате высокотемпературных нагревов, является ударная вязкость.
Влияние температуры закалки на фазовый состав и свойства хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых сталей

Чем больше количество ферритной фазы в сталях, тем они чувствительнее к изменению ударной вязкости после высокотемпературных нагревов. На рис. 14 представлена диаграмма изменения ударной вязкости безникелевых хромомарганцевых сталей, содержащих 18% хрома, переход которых от двухфазного состояния к однофазному зависит от температуры нагрева выше 1100° С. Внизу диаграммы дан ее разрез по плоскости, соответствующей одинаковым значениям ударной вязкости, на нем представлены линии равнозначной ударной вязкости, положение которых определяется содержанием марганца и температурой.
Закономерность в изменении ударной вязкости такова: стали, имеющие однофазную ферритную структуру, обладают низкой ударной вязкостью после высокотемпературных нагревов (менее 4 кГм/см2). Двухфазные стали (18% хрома, 6—8% марганца) имеют удовлетворительные значения ударной вязкости (на рис. 14 — в разрезе заштрихованная область). Однако после нагрева выше 1000°С (переход в однофазное состояние) ударная вязкость резко снижается. Таким образом, аналогично ферритным высокохромистым сталям двухфазные хромомарганцевые стали можно применять и в тех случаях, когда требуется высокотемпературный нагрев. Однако область их обработки шире, чем ферритных высокохромистых сталей, так как различные технологические операции (гибка, правка, вальцовка и т. д.) можно осуществлять в холодном состоянии без обычного подогрева на 100—150° С, применяемого для однофазных ферритных сталей, у которых порог хладноломкости лежит выше комнатной температуры.
Закономерность в изменении ударной вязкости в хромомарганцевоникелевых сталях такая же, как и в хромомарганцевых. Однако в двухфазных сталях, сохраняющих двухфазность после высокотемпературных нагревов, количественное соотношение фаз влияет на ударную вязкость.
Влияние температуры закалки на фазовый состав и свойства хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых сталей

В хромомарганцевоникелевых сталях зависимость ударной вязкости от температуры (рис. 15) определяется содержанием хрома: чем больше содержание хрома и, соответственно, количество ферритной фазы, тем резче снижение ударной вязкости с повышением температуры. Так, в сталях, содержащих 18 и 20% хрома и сохраняющих двухфазность при температуре выше 1200° С, ударная вязкость имеет удовлетворительные значения во всем температурном интервале. Однако в стали с 18% хрома закалка с температур 1000—1200° С, что обеспечивает наличие a-фазы в количестве от 40 до 60%, т. е. при среднем соотношении фаз, близком к 1:1, ударная вязкость изменяется незначительно. На псевдобинарных разрезах подобных диаграмм для 2, 4, 6 и 8% марганца (рис. 16) видно благоприятное влияние марганца на сохранение удовлетворительных значений ударной вязкости (на рис. 16 заштрихованные области). Увеличение количества марганца расширяет эти области в сторону высоких температур подобно аналогичному увеличению области двухфазных структур, представленных на структурных диаграммах (рис. 12).
Влияние температуры закалки на фазовый состав и свойства хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых сталей

Псевдобинарные разрезы диаграмм изменения ударной вязкости от температуры и степени легирования удобны для практического пользования, так как по линии равнозначной ударной вязкости можно выбрать составы сталей, удовлетворяющие заданным требованиям по ударной вязкости.
Таким образом, количественное соотношение α- и γ-фаз в двухфазных хромомарганцевоникелевых сталях влияет на изменение ударной вязкости от температуры, однако чем ближе соотношение фаз к 1:1, тем меньше это влияние. Такому фазовому составу отвечает сталь, содержащая 18% хрома, 8% марганца и 2% никеля.
Изучение других механических свойств (рис. 17) подтверждает полученную закономерность. Следует отметить, что наличие двухфазной структуры в стали (независимо от соотношения фаз) приводит к повышению прочностных свойств по сравнению с однофазными ферритными или аустенитными сталями.
Влияние температуры закалки на фазовый состав и свойства хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых сталей
Влияние температуры закалки на фазовый состав и свойства хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых сталей

Увеличение количества ферритной фазы, достигаемое повышением температуры закалки и содержанием хрома, приводит к снижению прочностных свойств, что характерно для ферритных сталей.
Увеличение содержания марганца, повышающего количество аустенитной фазы, приводит к повышению пластичности, что характерно для аустенитных сталей.
Независимо от соотношения фаз наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств наблюдается при температуре закалки 1000°C, которая в дальнейших исследованиях была принята за оптимальную.
Приведенные данные показывают, что наилучшим комплексом свойств обладает наиболее «аустенитная» из исследованных двухфазных сталей, содержащая 18% хрома, 8% марганца и 2% никеля. После закалки с оптимальной температуры 1000°C эта сталь имеет следующий фазовый состав: 40% α- +60% γ-фазы. При таком фазовом составе (близком к 1:1) обеспечивается самый высокий уровень механических свойств: предел прочности — 90 кГ/мм2; предел текучести — 42 кГ/мм2; относительное удлинение — 35%; относительное сужение — 50%; ударная вязкость — 27 кГм/см2; твердость HB 230.
Таким образом, состав стали (18% хрома, 8% марганца и 2% никеля), выбранный на основании изучения систем, обеспечивает получение высокого комплекса механических свойств.