Высокопрочные метастабильные аустенитные стали

К этому классу относятся две группы высокопрочных и высокопластичных сталей, известных в литературе как ПНП (или трип-стали) и ПНД-стали. Название ПНП расшифровывается как пластичность, наведенная пре­вращением (или в английской транскрипции Transformation Induced Plasticity), второе ПНД - пластичность, наведенная двойникованием. В ПНП-сталях высокая пластичность достигается за счет мартенситного превра­щения, а в ПНД - за счет механического двойникования при деформации метастабильного аустенита.

Маркировка и примерные составы некоторых ПНП и ПНД сталей приведены в табл. 7.

Таблица 7

ПНП- и ПНД-стали

Легирующие элементы в ПНП-сталях выбирают так, чтобы в исходном состоянии после аустенизации при 1000…1200 °С мартенситные точки М_н и М_д были ниже комнатной температуры. Для получения высокой прочно­сти в сочетании с высокой пластичностью, стали дефор­мируют (прокаткой, штамповкой, волочением) при тем­пературах ниже температуры рекристаллизации (350… 980 °С) со степенями деформации 10 %. При дефор­мации происходит наклеп аустенита и деформационное старение (выделение карбидов), в результате которого аустенит обедняется легирующими элементами, и мартенситная точка М_д становится выше комнатной температу­ры. Поэтому в процессе дальнейшей деформации метастабильного аустенита при комнатной температуре (на­пример, даже в процессе испытаний механических свойств на растяжение) образуется мартенсит деформа­ции, значительно повышающий прочностные характери­стики стали, а протекание мартенситного превращения в ходе деформации повышает пластичность. Повышение пластичности при одновременном повышении прочности кратко можно объяснить следующим образом.

При деформации стабильного аустенита деформация обычно развивается локализовано, образуется шейка, на месте которой происходит разрушение. В случае же деформации метастабильного аустенита начавшаяся в отдельных местах пластическая деформация вызывает появление мартенситных кристаллов, локально упрочня­ющих данные места, пластическое течение в них пре­кращается, но начинает развиваться в других местах, неупрочненных. Суммарная же деформация, равномерно распределенная по всему образцу, достигает значитель­ной величины. Соотношение между прочностью и плас­тичностью в ПНП-сталях более высокое, чем в других классах высокопрочных сталей (рис. 6).

Рис. 6. Соотношение между сопротивлением пластической деформации s

и пластичностью d для различных классов высокопрочных сталей:

1 - среднеуглеродистые, упрочненные ТМО; 2 -упрочненные ТМО + деформационное старе­ние;

3 - мартенситно-стареющие; 4 - среднеуглеродистые легирован­ные без ТМО; 5 - ПНП-стали

Иногда для еще большего упрочнения ПНП-сталей применяют дополнительную обработку холодом либо деформацию при температурах ниже комнатной и допол­нительный отпуск.

Так, например, в стали типа 30Х9Н8М4Г2С2 после закалки с 1150…1180 °С и деформации при 400…600 °С с обжатием до 85 % предел текучести s_0,2 = 1400…1800 МПа, d = 25…35 %, y = 40 %. Дополнительная же холодная деформация и после­дующее старение при 400 °С повы­шает s_0,2 до 2300…2600 МПа без существенного снижения пластич­ности.

Очень важной особенностью ПНП-сталей является их высокая вязкость (порог хладноломкости в них лежит при температурах значительно ниже комнатной, для некоторых марок даже при - 196 °С). Дляних характерно высокое сопротивление распрост­ранению трещин (рис. 7). Не­достатком же ПНП-сталей явля­ется высокая чувствительность к водородному охрупчиванию.

Рис. 7. Вязкость разрушения К_1С высокопрочных сталей:

1 – ПНП-стали; 2 - мартенситно-стареющие; 3 - низколегированные высокопрочные

Таким образом, высокий комплекс проч­ностных и пластических характе­ристик в ПНП-сталях достигается путем сравнительно сложных об­работок. В частности, проведение теплой прокатки требует допол­нительно мощного оборудования. Поэтому исследователями и раз­работчиками ведется интенсивный поиск других спосо­бов обработок. Одним из эффективных способов упроч­нения ПНП-сталей является холодная и теплая (при 250 °С) гидроэкструзия, сочетающая пластическую де­формацию с повышенным давлением.

Другим способом, обеспечивающим упрочнение ПНП-сталей не в результате деформации, а вследствие фазово­го наклепа, является термоциклирование. Так, на сталях типа 25Н24М4 показана возможность замены деформа­ционно-термических методов обработки термоциклированием. После ТМО (деформации при 500 °С на 80 %) при испытаниях на растяжение при комнатной температуре текучести s_0,2 = 1640 МПа, s_В = 1760 МПа, d = 41 %,а после термоциклирования (5 циклов от - 196 °С до + 700 °С) полу­чаем s_0,2 = 1620 МПа, s_В = 1930 МПа и d = 30 %. Следует отметить, что для применения термоциклирования состав ПНП-сталей должен отвечать определенным требовани­ям по температуре рекристаллизации, количеству мар­тенсита деформации и степени наклепа аустенита.

Разработка другой группы высокопрочных и высокопластичных аустенитных - ПНД-сталей базируется на идее некоторой общности изменения структуры аустени­та при образовании мартенсита деформации и при ме­ханическом двойниковании (сдвиговый характер пере­стройки решеток, наличие когерентных границ). При вы­боре легирующих элементов в ПНД-сталях одним из условий является их влияние на снижение энергии дефек­тов упаковки и облегчение двойникования.

В настоящее время наиболее разработанной группой ПНД-сталей являются высокопрочные марганцовистые стали (табл. 8). Принцип упрочнения ПНД-сталей основан на сочетании деформационного упрочнения при двойникова­нии и дисперсионного упрочнения, происходящего в ре­зультате выделения карбидов при старении.

Сочетание этих двух способов упрочнения позволяет получить на стали 60Г14Х9Ф2 значения s_0,2 = 1450…1500 МПа, s_В = 1500…1550 МПа и d = 17…19 %. Допол­нительно повысить комплекс свойств ПНД-сталей уда­ется применением методов ТМО либо теплой гидроэкст­рузией (см. табл. 8).

ПНД-стали, кроме сочетания высокой прочности с вы­сокой пластичностью, обладают хорошим сопротивлением хрупкому разрушению, высокой трещиностойкостью.

Таблица 8

Механические свойства марганцовистых ПНД-сталей

Еще одним несомненным достоинством ПНД-сталей является то, что они легируются более дешевыми элемен­тами (Mn, V, Cr). В настоящее время эта группа сталей интенсивно исследуется и, по-видимому, в ближайшее время они найдут широкое применение.

ПНП-стали более дорогие и сложные в технологии изготовления. Но ряд из них обладает уникальным соче­танием свойств (высоких механических свойств с немагнитностью и коррозионной стойкостью.