Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

При твердорастворном упрочнении коэффициент охрупчивания также велик и зависит от типа легирующего элемента, его растворимости в феррите. Хотя твердорастворное упрочнение вносит существенный вклад в увеличение ζт, оно не всегда является оправданным в низколегированных сталях, так как экономические затраты (стоимость легирования) при этом способе упрочнения весьма высокие.

Дисперсионное упрочнение вызывает наименьшее охрупчивание по сравнению с другими «охрупчивающими» механизмами упрочнения, а учитывая, что дисперсные частицы обеспечивают получение мелкозернистой структуры, дисперсионное упрочнение ферритно-перлитных сталей следует считать наиболее предпочтительным из всех механизмов.

Единственным механизмом, который одновременно с приростом ζт вызывает уменьшение Т50, является зернограничное упрочнение. Более того, значительным измельчением зерна можно «перекрыть» эффект охрупчивания за счет других указанных механизмов и достичь высокой степени упрочнения стали, сопровождающегося уменьшением склонности к хрупким разрушениям. Одновременное повышение прочностных характеристик и хладостойкости стали способствуют значительному повышению ее сопротивляемости хрупкому разрушению.

Для сталей со структурой мартенсита и продуктов его отпуска методы расчета вклада каждого механизма упрочнения значительно сложнее, чем для ферритно-перлитных сталей; их доля вклада в разных сталях может колебаться в широких пределах. В сталях, закаленных на мартенсит, роль дислокационного упрочнения ζд.у значительно возрастает и становится одной из главных наряду с упрочнением твердого раствора атомами внедрения ζт.р. Поэтому, чтобы одновременно получить высокую прочность и вязкость стали, требуется сложное комплексное легирование. В легирующий комплекс должны входить элементы, которые обеспечивают минимальное повышение температуры охрупчивания на единицу возрастания временного сопротивления.

Малорастворимые примеси стремятся перейти на границы, являющиеся областями с меньшей плотностью, обогащают данные границы зерен и охрупчивают металл.

136

3.3. Mикpoлегирование стали карбонитридообразующими элементами

В настоящее время принято несколько вариантов классификации эффектов при введении малых добавок. Одной из наиболее широко распространенных является следующая:

1.При модифицировании легирующие элементы воздействуют на морфологию первичных кристаллов и степень дисперсности кристаллических фаз.

2.При раскислении легирующие элементы взаимодействуют

скислородом, связывая и удаляя его из раствора.

3.При микролегировании роль легирующих элементов проявляется главным образом в твердом состоянии в результате образования растворов внедрения или замещения; воздействия на степень дисперсности вторичных зерен, размер, форму и распределение неметаллических включений, строение границ зерен, тонкую структуру; нейтрализации влияния вредных примесей.

Для обеспечения модифицирующего и микролегирующего эффекта перед введением в сталь микродобавки необходимо предварительное раскисление металла.

Температура перехода из вязкого состояния в хрупкое Ткр связана с размером зерна и уравнением Петча–Холла:

где А и В – коэффициенты, слабо зависящие от температуры. Линейная зависимость Ткр от ln d–1/2 экспериментально под-

тверждена многими авторами. Анализ полученных результатов показал, что уменьшение размера зерна на один балл снижает хладноломкость ферритно-перлитных сталей в среднем на 10–20 °С. Измельчение зерна оказывает положительное влияние на хладостойкость не только за счет снижения уровня концентрации локальных напряжений, но и благодаря уменьшению отрицательного влияния вредных примесей, изменению микромеханизма распространения хрупкой трещины и благоприятному влиянию на форму и характер распределения карбидной фазы.

137

Для измельчения зерна возможно использование различных методов. Однако большинство из них оказывают одновременно отрицательное влияние на вязкость сталей и трудно реализуются на практике. Так, быстрый нагрев практически неосуществим из-за сложной конфигурации стальных отливок, а использование ускоренного охлаждения не может привести к получению мелкозернистой структуры в их толстостенных частях. Легирование стали элементами, повышающими устойчивость аустенита (Mn, Ni, Cr и т. п.), за счет снижения температуры превращения приводит к некоторому повышению дисперсности образующихся фаз, но при этом возможно охрупчивание в результате появления бейнита в структуре нормализованной стали.

Наиболее перспективным способом измельчения зерна в литейных сталях является микролегирование карбидо- и нитридообразующими элементами. Стали с карбонитридным упрочнением отличаются тем, что их механические свойства мало зависят от сечения проката. С этой целью используют ванадий, ниобий, титан, цирконий, алюминий, бор. Карбонитриды циркония и отчасти титана, а также нитриды алюминия и бора практически не диссоциируют при нагреве стали и трудно растворимы в аустените. Поэтому для карбонитридного упрочнения используют прежде всего ванадий, ниобий и, в меньшей степени, титан.

Карбонитридное упрочнение сталей представляет собой способ воздействия на структуру и свойства сталей посредством образования упрочняющих дисперсных карбонитридных фаз при легировании сталей ванадием и ниобием (иногда дополнительно алюминием и титаном) в сочетании с повышенным содержанием азо-

та (до 0,030 %).

Главными факторами карбонитридного упрочнения являются: собственно дисперсионное упрочнение, измельчение аустенитного и действительного зерен стали, а при определенной технологии – образование субзеренной структуры. Вследствие этого стали с карбонитридным упрочнением обладают наивысшей прочностью и наименьшей температурой перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Эффективность действия карбонитридообразующих элементов зависит от их растворимости в аустените. Определяя предельную растворимость, можно установить, какое количество может

138

раствориться, а затем выделиться в виде дисперсной фазы. Расчеты показывают, что оптимальная концентрация ванадия в низкоуглеродистой стали должна составлять до 0,12 %; ниобия – до 0,06 %; титана – до 0,03 %.

Среди характеристик конструкционной стали, влияющих на ее служебные и технологические свойства, большое значение имеют размер аустенитного зерна и склонность его к росту. Это связано с тем, что размер исходного аустенитного зерна во многом определяет характер распада аустенита и дисперсность продуктов превращения. Рост аустенитного зерна – термически активируемый процесс, зависящий от таких факторов, как температура нагрева, длительность выдержки, а также от содержания примесей в стали и, особенно, от размера и объемной доли частиц второй фазы.

Процесс слияния группы мелких зерен в более крупные зерна происходит вследствие распада дислокационных границ зерен, образовавшихся при фазовом (α→γ)-превращении. Наиболее интенсивно этот процесс протекает при температурах, на 50–100 °С превышающих температуру Ас3. Процесс слияния зерен вызывается распадом неравновесных дислокационных границ вследствие термически активируемого процесса перемещения дислокаций, которые при повышении температуры освобождаются от закрепляющих их облаков примесных атомов или частиц второй фазы. При движении дислокации частично аннигилируют, частично образуют субграницы. Процесс перемещения дислокаций стимулируется протеканием выравнивающей диффузии углерода, азота и других примесей, которая вызывается неоднородной концентрацией этих элементов после превращения. Наличие нерастворившихся частиц второй фазы подавляет этот механизм, препятствуя движению дислокаций. Поэтому при легировании стали карбонитридообразующими элементами механизм укрупнения зерен проявляется менее заметно, растянут во времени и по температуре.

В табл. 3.6 приведены данные о составе и свойствах ряда высокопрочных сталей с карбонитридным упрочнением. Наиболее широко применяется сталь 16Г2АФ. Ее нормализация способствует получению особо мелкозернистой структуры, обеспечивающей ей наивысшую прочность по сравнению с другими сталями и наименьшую температуру перехода в хрупкое состояние. Если в низколегированной стали 14Г2 зерно имеет размер 60–80 мкм (№ 5–6),

139

то в стали 16Г2АФ размер будет не более 10–20 мкм (№ 9–10). Сталь 16Г2АФ широко применяется при сооружении мощ-

ных металлургических агрегатов (доменных печей, конвертеров и т. п.), железнодорожных и автомобильных мостов, труб магистральных газопроводов, телемачт, резервуаров нефтехранилищ и других ответственных сооружений. Достигаемая при этом экономия металла по сравнению с его расходом на конструкции из обычной низколегированной стали типа 10Г2С и 14Г2 составляет 15–30 %, а по сравнению с конструкциями из углеродистой стали Ст3 – около 30–50 %.

По степени торможения роста зерна при нагреве низкоуглеродистой стали карбонитридообразующие элементы располагаются в порядке возрастания в такой последовательности: ванадий– ниобий–титан. При увеличении температуры нагрева это различие усиливается. Ванадий тормозит рост зерна аустенита лишь до температуры не выше 1050 °С. При нагреве до более высоких значений температуры легирование ванадием обеспечивает незначительное измельчение зерна аустенита, так как ванадий полностью переходит в твердый раствор.

Ниобий существенно тормозит рост зерна при всех исследованных температурах. С повышением содержания ниобия его тормозящее влияние на рост зерна аустенита увеличивается. Наиболее

140