Новые высокопрочные и сверхпрочные материалы с высокой пластичностью на основе железа

Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, когда оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Этим требованиям в значительной степени отвечают без углеродистые ( ≤0.03 % С ) мартенситно-стареющие стали, углерод и азот в составе которых – вредные примеси, снижающие пластичность и вязкость стали . Эти стали упрочняются закалкой и последующим старением .

Следует вспомнить, что мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α – Fe: содержание углерода в мартенсите может быть таким же, как и в исходном аустените, т. е. может достигнуть 2,14 %.

Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлаждён до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, т. е. не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита.

Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Сдвиговой механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие межатомные.

Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень высока (~ 1000 м/с).

Вследствие разности удельных объемов мартенсита и аустенита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что, в конечном счете, приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов.

При переохлаждении аустенита до температуры, соответствующей точке МН
(МS
в иностранной литературе) аустенит превращается в мартенсит. Таким образом, МH
– температура начала мартенситного превращения. Если непрерывное охлаждение стали прекратить, то превращение остановится. Чем ниже охладить аустенит, тем больше образуется мартенсита.

По достижения определенной для каждой стали температуры (MK
) превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эту температуру окончания мартенситного превращения обозначают MK
. Положение MH
и MK
не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом аустенита : чем больше в аустените углерода, тем ниже MH
и MK
. Все легированные элементы, растворенные в аустените, за исключением Coи Al , понижают MH
и MK
(рис.1).

Если задержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежащей ниже температуры, соответствующей MH
, например 20ºC , то, аустенит, сохранившийся не превращенным при охлаждении до этой температуры, становится устойчивым (Аост
). Это явление стабилизации проявляется более сильно в интервале температур MH
…MK
и зависит от температуры, при которой задержалось охлаждение. Температура, ниже которой проявляется этот эффект стабилизации, обозначается MС
.

Мартенситно – стареющие стали представляют собой сплавы Feс Ni (8-20 % масс.), а часто и с Co . Для протекания процесса старения в мартенсите, сплавы дополнительно легируют Ti , Al , Mo , и другими элементами. Высокая прочность мартенситно- стареющих сталей обязана образованию твёрдого раствора Feи легирующих элементов ( Ni , Co , Mo , Alи другие ), мартенситному превращению, сопровождающаяся фазовым наклепом и, главным образом, старению мартенсита, при котором происходит образование сегрегаций , метастабильных и стабильных фаз типа Fe3 Mo , Ni3 Mo , Ni3 Ti , NiAlи других . Высокое сопротивление хрупкому разрушению объясняется пластичностью и вязкостью без углеродистого мартенсита (“мартенсит замещения “) .

Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенситно-стареющая сталь Н18К9 М5Т ( ≤0,03%С, ~18%Ni, ~9%Co, ~5%Mo, ~0,6%Ti).

Сталь закаливают на воздухе от 820-850ºС. После закалки, сталь состоит из безуглеродистого массивного (реечного) мартенсита, имеющего наряду с низкой прочностью хорошие пластичность и вязкость: σ0.2