Метастабильные аустенитные стали
3.3.4 Метастабильные аустенитные стали (МАС)
Особенности МАС
Это аустенитные стали, в которых при пластической деформации выше точки Мн, но ниже точки Мд происходит фазовое превращение аустенита в мартенсит деформации (g→a² ).
Причину появления мартенсита выше температуры начала мартенситного превращения при охлаждении (Мн) в условиях действия внешней нагрузки часто иллюстрируют схемой, приведенной на рисунке 3.17, где Т0 – температура равновесия исходной (g) и мартенситной (a) фаз, 
– критическая величина движущей силы, необходимая для начала превращения g→a при охлаждении без нагрузки.
Мартенситное превращение может начаться при температуре Т1 (Мн < Т1 < Т0), если внешняя нагрузка облегчает образование критического зародыша, т.е. если она снижает на некоторую величину требуемую движущую силу 
.
Рисунок 3.17 – Влияние внешней нагрузки на мартенситное превращение
Более детально соотношение температуры начала мартенситного превращения, величины приложенного напряжения (s) и температурной зависимости предела текучести стабильного аустенита (sт) иллюстрирует схема, предложенная Олсоном и Коэном (рисунок 3.18).
Рекомендуемые материалы
Рисунок 3.18 – Взаимосвязь напряжения и температуры появления мартенсита
1 – мартенсит напряжения; 2 – мартенсит деформации;
– предел текучести аустенита
При температуре Мн первые кристаллы мартенсита возникают без помощи внешней нагрузки. В температурном интервале Мн < Т < 
образование мартенситных кристаллов инициируется упругими напряжениями s < sт. Получаемый в этих условиях мартенсит был назван мартенситом напряжения. При < Т < Мд пластическая деформация аустенита предшествует появлению мартенсита, который был назван мартенситом деформации. Выше температуры Мд вызвать мартенситное превращение путем деформации аустенита не удается. Пластическая деформация готовит новые, более благоприятные места, которые обеспечивают зарождение мартенситных кристаллов при значительно более низких напряжениях, чем необходимые для образования зародышей в недеформированном аустените.
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. Большая склонность марганцевого и хромомарганцевого аустенитов к мартенситному превращению при деформации связана с низкой энергией дефектов упаковки, которые являются зародышами кристаллов e– и a–мартенсита деформации. Мартенситные превращения в хромомарганцевых сталях развиваются по схеме g→e→a, при этом обычно в случае малых степеней деформации инициируется g→e-, а при больших g→a-, а также e→a-превращение.
Суммируя результаты исследований ряда ученых, можно заключить, что эффект упрочнения МАС в процессе пластической деформации в интервале температур Мн–Мд определяется следующими основными факторами:
1) деформационным упрочнением аустенита;
2) количеством, прочностью и распределением образующихся при деформации e и a-мартенситных фаз;
3) наклепом кристаллов мартенсита деформации.
Деформационное упрочнение аустенита обусловлено процессами, приводящими к повышению общей плотности дислокаций, изменению характера их распределения, измельчению блоков мозаики и возникновению барьеров Ломера – Коттрелла при пересечении дислокаций, а при низких значениях ЭДУ дополнительным двойникованием и образованием дефектов упаковки.
Дополнительное упрочнение от образования мартенсита деформации обусловлено как собственно более высокой твердостью и дисперсностью мартенсита, так и созданием в зернах аустенита прочного каркаса из пластин мартенсита, препятствующих сдвиговым процессам в аустените. Установлено, что твердость мартенсита деформации существенно выше, чем мартенсита охлаждения вследствие более высокой плотности дислокаций, а микроискажения кристаллов мартенсита деформации в 3 раза больше, чем в мартенсите охлаждения. Высокая степень упрочнения МАС вследствие выделения кристаллов e- и a-мартенсита деформации обусловлена также и фазовым наклепом вследствие разницы в удельном объеме исходной и образующихся фаз.
При протекании мартенситного превращения в процессе нагружения (деформации) происходит не только упрочнение, но и релаксация внутренних пиковых напряжений. Эффект релаксации пиковых напряжений в момент сдвиговой перестройки решетки предотвращает преждевременное зарождение и распространение трещин. На мартенситное превращение при нагружении расходуется бо́льшая часть энергии внешнего воздействия, поглощенной металлом. Остальная малая часть этой энергии идет на разрушение, при этом значительно повышается энергоемкость разрушения.
ПНП- стали
В середине 50-х годов прошлого века И.Н. Богачевым и Р.И. Минцем был предложен принцип, согласно которому мартенситное превращение должно протекать в процессе испытаний механических свойств или эксплуатации, а не в процессе упрочняющих обработок, как это было общепринято.
В 1966 г. этот принцип был использован Закеем и Паркером, которые предложили высокопрочные стали с пластичностью, наведенной превращением, в отечественной литературе они получили название ПНП-сталей (пластичность, наведенная превращением), а в зарубежной литературе трип-сталей (TRIP - transformation induced plasticity). Принцип их получения и способы упрочнения состоят в следующем.
Соответствующим подбором легирующих элементов снижают мартенситные точки Мн и Мд ниже комнатной температуры. Таким образом, после закалки такие стали имеют аустенитную структуру. Для получения повышенных прочностных свойств стали подвергают пластической деформации в интервале температур 345-980 °С (ниже температуры рекристаллизации) с большими степенями обжатия (до 80 %). При этом мартенситные точки Мн и Мд повышаются, и точка Мд становится выше комнатной температуры (точка Мн остается ниже комнатной температуры). Повышение мартенситной точки Мд может быть усилено за счет легирования стали карбидообразующими элементами, выделение карбидов которых при пластической деформации повышает температуры мартенситных точек Мн и Мд, т.к. образование карбидов приводит к обеднению аустенитной матрицы углеродом и легирующими элементами. Поскольку точка Мн остается ниже комнатной температуры, а точка Мд становится выше ее, то после охлаждения от температуры теплого деформирования стали сохраняют аустенитную структуру, но этот аустенит, во-первых, имеет повышенную прочность вследствие деформационного упрочнения (наклепа) и деформационного старения (карбидообразования) в процессе теплой пластической деформации и, во-вторых, аустенит становится метастабильным по отношению к пластической деформации при комнатной температуре. Деформация метастабильного аустенита (например, при механических испытаниях) приводит к образованию мартенсита деформации при g→a²-превращении, что сопровождается увеличением прочностных свойств и значительным ростом относительного удлинения. Механизм аномально высокой пластичности ПНП-сталей заключается в локальном упрочнении участков аустенита, в которых начинается пластическое течение, и в релаксации внутренних пиковых напряжений при образовании мартенсита деформации. Эффект релаксации пиковых напряжений в момент сдвиговой перестройки решетки предотвращает преждевременное зарождение и распространение трещин. Таким образом, образующийся мартенсит деформации затрудняет образование шейки при растяжении благодаря упрочнению в месте ее образования, и деформация образца долгое время носит равномерный характер, при этом не наблюдается разрушения образца.
ПНП-стали легируют такими элементами как марганец, кремний, молибден, хром, ванадий, вольфрам, никель. Содержание углерода в высокопрочных ПНП-сталях составляет ~ 0,3 %. В ряде случаев используют стали с высоким содержанием никеля (выше 20 %). Известны (Закей и Паркер) ПНП-стали, содержащие 0,25 % С; 24 % Ni и 4,0 % Мо или 0,24 % С; 21,0 % Ni; 2,0 % Мn; 2,0 % Si; 4,0 % Mo.
Для получения повышенных прочностных свойств ПНП-стали подвергают дополнительной холодной пластической деформации с развитием g→a²-превращения в процессе деформации. При этом прочностные свойства стали продолжают расти, а пластичность уменьшается. Так, сталь с 0,3 % С; 2 % Мn; 2 % Si; 9 % Сr; 8,5 % Ni и 4,0 % Мо после прокатки при 425 °С со степенью деформации 80 % имеет sв = 1500 МПа,s0,2 = 1430 МПа и d = 50 %, а после дополнительной холодной прокатки со степенью деформации 15 % sв = 1750 МПа, s0,2 = 1620 МПа с более низкими значениями относительного удлинения.
Для некоторых ПНП-сталей применяют дополнительные охлаждение и деформацию при низких температурах (до -196 °С) с последующим отпуском при 350–400 °С, при этом частично получают мартенсит деформации до механических испытаний. При такой обработке можно получить s0,2 = 2000 МПа и d = 20–25 %.
Достоинством ПНП-сталей являются высокие значения вязкости разрушения К1с. Высокие значения вязкости разрушения для ПНП-сталей обусловлены поглощением энергии деформации при фазовом g→a² превращении. ПНП-стали имеют высокое сопротивление усталостному, а также коррозионному разрушению. Это связано с образованием мартенсита при продвижении трещины и релаксацией напряжений в вершине трещины.
На рисунке 3.19 показаны уровни прочности и пластичности, достигаемые в высокопрочных сталях различных классов и способов обработки.
Рисунок 3.19 – Значения прочности и пластичности ПНП-сталей
по сравнению с другими высокопрочными сталями (В. Закэй)
1 – стали после ВТМО; 2 – после ТМО и деформационного старения;
3 – мартенситностареющие стали; 4 – высокопрочные низколегированные
стали; 5 – ПНП-стали
ПНП-стали имеют при сопоставимой прочности более высокую пластичность.
К недостаткам ПНП-сталей относятся значительные трудности, связанные с осуществлением высоких степеней пластической деформации при сравнительно низких температурах деформации, трудность контроля состава стали, обеспечивающего необходимые характеристики превращения, высокая стоимость, особенно в случае использования высоконикелевых сталей, ограничения по сортаменту (лист, проволока, пруток).
ПНП-стали можно использовать для производства ответственных деталей авиаконструкций, броневого листа, а также высокопрочной проволоки и тросов. Работами И.Н. Богачева с сотрудниками принцип ПНП положен в основу создания кавитационностойких сталей. Создано много экономнолегированных сталей, в которых использован принцип получения того или иного количества метастабильного аустенита.
Использование МАС для повышения стойкости деталей
при контактном динамическом нагружении
И.Н. Богачев и Р.И. Минц впервые определили новую область практического применения МАС. Из их работ следует, что решающие преимущества МАС реализуются в таких условиях эксплуатации, где металлическая поверхность испытывает действие нагрузок, значительно превосходящих предел текучести сталей. Поверхностные рабочие слои деталей из МАС изменяют свой фазовый состав и свойства в процессе самого рабочего нагружения, значительно упрочняясь за счет образования мартенсита деформации. МАС можно рассматривать как конструкционный материал в максимальной степени удовлетворяющий принципу обеспечения высокой стойкости при контактном динамическом нагружении. Контактное динамическое нагружение металлической поверхности деталей машин может осуществляться при взаимодействии с твердыми телами (трение скольжения, абразивное изнашивание), потоком жидкости (кавитационная эрозия, гидроабразивный износ) или газа (газовая эрозия, газоабразивное изнашивание). При всем многообразии проявлений контактное динамическое нагружение характеризуется общими чертами – локальностью, неравномерностью, многократностью приложения импульсных нагрузок.
Наиболее перспективным материалом с высокой стойкостью при контактном динамическом нагружении являются МАС на Fe-Mn основе, системы Fe-Cr-Mn-C, способные к интенсивному упрочнению в процессе рабочего нагружения за счет развития деформационного мартенситного превращения по схеме g→e→a.
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы особенности сталей с метастабильным аустенитом?
2. Какими факторами определяется эффект упрочнения МАС в процессе пластической деформации в интервале Мн – Мд?
3. Какие процессы происходят при протекании мартенситного превращения в процессе нагружения?
4. Какова роль метастабильного аустенита в повышении сопротивления ударно-абразивному изнашиванию?
5. Что представляют собой ПНП-стали?
6. В чем состоит принцип получения ПНП-сталей?
7. Какими элементами легируют ПНП-стали?
8. В чем заключается механизм аномально высокой пластичности ПНП-сталей?
9. Какие способы обработки применяются для ПНП-сталей?
10. В чем состоят достоинства и недостатки ПНП-сталей?
11. Назовите основные области применения ПНП-сталей?
12. Почему стали с метастабильным аустенитом являются перспективным материалом при контактом динамическом нагружении?
Литература
Коллективизация сельского хозяйства - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
1. Голъдштейн М.И. Специальные стали: Учебник для вузов / М.И. Гольд-штейн, СВ. Грачев, ЮТ. Векслер. - М.: МИСИС, 1999. - 408 с.
2. Филиппов М.А. Стали с метастабильным аустенитом / М.А. Филиппов, B.С. Литвинов, Ю.Р. Немировский. - М.: Металлургия, 1988. - 256 с.
3. Георгиева И.Я. Трип-стали - новый класс высокопрочных сталей с повышенной пластичностью // МиТОМ. - 1976. - № 3. - С. 18-26.
4. Георгиева И.Я. Высокопрочные стали с пластичностью, наведенной мартен-ситным превращением // Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. - 1982. - Т.16. - С.69-105.
5. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы / И.Н. Богачев. - М.: Металлургия. - 1989. - 384 с.
6. Малинов Л.С. Использование принципа получения метастабильного аустенита, регулирования его количества и стабильности при разработке эконом-нолегированных сплавов и упрочняющих обработок // МиТОМ. - 1996. -№2.-С. 35-39.
