Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Мартенситно-стареющие стали

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ОЛЕСЯ ГОНЧАРА

ХІМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ХІМІЇ ТА ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК

РЕФЕРАТ

по курсу «Конструкционные материалы»

на тему:

«Мартенситно-стареющие стали»

Подготовила:

Ст. гр. ХВ-13-4

Сухобрус Валерия Евгеньевна

Приняла:

Носова Татьяна Валерьевна

Днепропетровск, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………3

Стали с 18% Ni……………………………………………4
Стали с 20 % Ni…………………………………………..7
Стали с 25 % Ni…………………………………………..8
Другие мартенситно-стареющие стали…………..9
Основные свойства и применение…………………..11
Марки мартенситно-стареющих сталей…..........13

Выводы…………………………………………………...16

Список литературных источников………………..17

Введение

Другой возможностью применения материалов с высокой прочностью в сочетании с удовлетворительной вязкостью и пластичностью является использование мартенситно-стареющих сталей. Их получение основано на обеспечении очень низкого содержании углерода, вредных примесей, что достигается выплавкой в вакууме, и большого содержания никеля в составе сталей. В этих сталях можно реализовать мартенситное превращение при очень низком содержании углерода и малой скорости закалки. Вышеприведенные особенности химического состава определяют очень высокое сопротивление импульсным нагрузкам и высокую ударную вязкость. Этому также способствует малый размер аустенитного зерна и морфология пластинчатого мартенсита. Для такого мартенсита, имеющего высокую плотность дислокаций, характерна, однако, относительно низкая прочность и высокие характеристики пластичности: σ0,2=650÷800 МПа; σв=950÷1050 МПа; НV=290-320; δ=17÷19%; ψ=70-75%.

Прочность низкоуглеродистого высоконикелевого мартенсита существенно возрастает при нагреве вследствие дисперсионного твердения, обусловленного выделением интерметаллидных фаз, которое определяется суммарным содержанием в стали кобальта и молибдена при малых добавках титана и алюминия, или общим высоким содержанием двух последних элементов.

Стали с 18% Ni

К ним относятся сплавы на основе Fе-18 % Ni, дисперсионное твердение которых обусловлено большим содержанием молибдена и кобальта в сочетании с малыми добавками титана и алюминия.

Мартенситно-стареющие стали, типичные для данной группы, их состав и предел текучести приведены в табл. 1.

Таблица 1

Предел текучести, МПа	Химический состав, % (по массе)
Предел текучести, МПа	C	Mn	Si	S	P	Ni	Co	Mo	Ti	Al
1350	0,03	0,10	0,10	0,01	0,01	17-19	8-9	3-3,5	0,2	0,1
1650	0,03	0,10	0,10	0,01	0,01	17-19	7-8,5	4,6-5,1	0,4	0,15
1960	0,03	0,10	0,10	0,01	0,01	17-19	8,5-9,5	4,7-5,2	0,6	0,15

Они имеют низкое количество примесей, производятся одинарным или двойным вакуумным переплавом и содержат 0,003% В, 0,02 % Zr, 0,05 % Са, способствующих связыванию вредных примесей и улучшению высокотемпературной деформируемости сталей. Как было отмечено, их прочность возрастает с увеличением количества Мо и Тi при малой концентрации примесей.

Рис. 1. Схема типичного цикла ТО мартенситно-стареющей стали с 18 % Ni

Термическая обработка сталей включает аустенитизацию при температуре 850—870oС, нормализацию или закалку в воду и последующее старение при 480oС в течение 3 ч. Типичный цикл термической обработки изображен на рис.1. Большинство легирующих элементов, за исключением кобальта, понижает температуру MH, однако температуру МK поддерживают таким образом, чтобы она превышала комнатную и чтобы после охлаждения от температуры аустенитизации весь сплав или его большая часть претерпевала мартенситное превращение. Фазой, обеспечивающей дисперсионное твердение в основном является орторомбическая Ni3Mo, имеющая форму малых пластин. Однако также выделяется и Ni3Ti. В сильно перестаренном состоянии образуется Fe2Mo. Роль кобальта заключается в интенсификации дисперсионного твердения за счет выделепня Ni2Mo, но и само добавление молибдена существенно влияет на упрочнение при старении (рис. 2). Выбором температуры и времени старения можно реализовать требуемый уровень прочности. Однако при слишком высокой температуре старения образуется аустенит, который зачастую далее не превращается в мартенсит, так как имеет температуру МН ниже комнатной. Если требуется повысить прочность, то можно применить холодную пластическую деформацию исходного низкоуглеродистого мартенсита примерно на 50%, которую осуществляют перед старением. Типичные механические свойства приведены в табл. 2.

Таблица 2

Предел прочности, МПа	σ0,2,МПа	σВ,МПа	δ,%	ψ,%	KCV при 20ОС, Дж/см2
1350	1290-1430	1350-1500	14-16	65-70	100-185
1650	1650-1850	1730-1900	10-12	48-52	30-44
1950	1950-2080	2040-2100	12	60	18-34

При очень высокой прочности имеются превосходные ударные характеристики, а отношение прочности образца с надрезом к прочности ненадрезанного образца составляет 1,35…1,65. Холодная пластическая деформация на 50 % и последующее старение увеличивают предел текучести до 1700, 2000 и 2100 МПа для сталей с вышеуказанной поминальной прочностью.

Рис. 2. Влияние молибдена и кобальта на увеличение твердости мартенситно-стареющих сталей с 18 % Ni в процессе изотермического нагрева при 455 °С (а) и на величину максимальной твердости этих сталей после старения при 480оС (б):

1 — Fе-18%, Ni-5%, Mo-3%, Со; 2—Fe-18%, Nі-5%, Mo; 3 — 7% Со; 4 – без кобальта; 5— закалка от 870оС

Стали с 20 % Ni

Рис. 3. Схема типичных циклов ТО мартенситно-стареющих сталей с 20% Ni

По содержанию примесей эти стали подобны сплавам 18% Ni-Mo-Co, но содержание никеля увеличено до 20 %. Взамен молибдена и кобальта для обеспечения дисперсионного твердения вводится ≈1,5 % Ti, 0,25 % А1 и 0,5 % Nb. Температура МН несколько ниже, чем в сталях с 18 % Ni, однако сплав в основном превращается в мартенсит после аустенитизации и охлаждения до комнатной температуры. Если превращение проходит не полностью, то может быть применена обработка холодом при —78оС или холодная пластическая деформация, которая повышает температуру МН. Старение осуществляют при 480°С в течение 3 ч после предварительной обработки холодом и без нее. Обработка холодом, однако, слабо влияет на прочность, поскольку в сплаве превращение в основном уже прошло. Прочность может быть увеличена, если сплав перед старением подвергнуть холодной пластической деформации. Типичные циклы обработки показаны на рис. 3.

Выделениями, обеспечивающими упрочнение, являются Ni3(А1, Ti) и Ni3Nb. Характерные механические свойства приведены ниже:

Показатели	Свойства после аустенитизации*
σB, МПа	1750/1880
σ0,2, МПа	1750/1850
δ, %	11/12
ψ, %	45/57
KCV при 20ОС, Дж/см2	25-35/ -

*Числитель – при 820ОС +480ОС, 3ч; знаменатель – то же, но после аустенитизации холодная деформация на 50%.

Считают, что эти сплавы не найдут широкого практического применения, так как они очень дорогие.

Стали с 25 % Ni

Эти стали содержат ≈1.5% Ti, 0,25% А1 и (или) 0,5% Nb. Температура МН ниже или очень близка к комнатной температуре, и стали после аустенитизации остаются преимущественно в аустснитиом состоянии. Поэтому перед упрочняющим старением их необходимо превратить в мартенсит, для чего применяют два вида обработки.

Старение аустенита. При температуре 700°С такое старение сопровождается образованием выделений γ'—Ni3(Al, Ti) и (или) Ni3Nb. Содержание легирующих элементов в аустените уменьшается и вследствие этого температура Мн возрастает настолько, что при последующем охлаждении до комнатной температуры сплав в основном превращается в мартенсит. Для обеспечения полного превращения сплав можно обработать холодом при —78 °С перед упрочняющим 3-ч нагревом при 480оС. Старение аустенита при 700 °С приводит к его твердению вследствие образования выделений γ̓—Ni3(Al, Ti), которые, однако, теряют когерентность при превращении аустенита в мартенсит. Вместе с тем уменьшается наличие титана и алюминия, необходимых для последующего старения мартенсита, вследствие чего, как показывает изучение свойств, прочность получается ниже. Выделения, образующиеся при старении мартенсита, идентифицированы как η-Ni3Ti.

Рис. 4. Схема типичных циклов ТО мартенситно-стареющих сталей с 25 % Ni

Холодная пластическая деформация и обработка холодом.

Аустенит должен быть подвергнут деформации в холодном состоянии не менее чем на 25 %, для того чтобы подъем интервала МН—МК был достаточным для полного превращения при — 78 °С. Более глубокое охлаждение до -196°С необязательно. Холодная пластическая деформация и обработка холодом обеспечивают интенсивное дисперсионное твердение вследствие выхода элементов из твердого раствора. При этом достигается более высокая прочность, чем при старении аустенита.

Типичные циклы обработки мартенситно-стареющих сталей с 25 % Ni показаны на рис. 4.

Производство и обработка этих сплавов обходятся дорого; кроме того, эти сплавы имеют малое практическое применение. Их типичные механические свойства приведены ниже*:

σВ, МПа………………1850/2000	δ, %...................................12/13
σ0,2,МПа……………...1730/1950	ψ, %...................................53/58

* Числитель—аустенитизация + старение при 700° С + обработка холодом при — 78оС + старение при 480°С, 3 ч; знаменатель — аустенитизация + холодная деформация 60% + обработка холодом при —78°С + старение 480о С, 3 ч.

Другие мартенситно-стареющие стали

Вследствие высокой стоимости мартенситно-стареющих сталей пытаются получить более дешевые варианты другого состава, где никель частично или полностью заменен марганцем, кобальтом, медью, хромом и другими элеметнтами. И несмотря на то что при этом может быть получен тот же уровень прочности, что и в сплавах на Fе—Ni основе, их пластичность и особенно вязкость заметно ниже. Путем добавления к обычной комбинации кобальта с молибденом других элементов, вызывающих дисперсионное твердение, можно понизить их стоимость.

Подходящими добавками являются те, которые обеспечивают прочность, такую же, как в сталях с комбинацией кобальта с молибденом. Сильное упрочнение при старении вызывает легирование титаном и алюминием, титаном или бериллием; умеренное — легирование алюминием, ниобием, марганцем, кремнием, танталом, ванадием и вольфрамом; слабое упрочнение при старении обеспечивает введение меди, кобальта и циркония. При легировании такими относительно недорогими элементами, как алюминий, алюминий с титаном, кремний и медь, прочность, однако, может быть достигнута лишь при определенном снижении вязкости. Особенно интересным является влияние выделений в сталях с кремнием и бериллием. Выделения имеют ОЦК решетку, и благодаря очень малому отличию от матричной решетки α-Fе они когернтны с матрицей, очень дисперсны и не склонны к росту. Примером такого типа выделений служит NiBe, способный обеспечить высокую прочность. Необходимое количество вводимого бериллия мало (0,2%), но его стоимость высока.

Мартенситно-стареющие стали с 18—25 % Ni не являются коррозионностойкими, что ограничивает их использование. Вследствие этого были разработаны сплавы, в которых никель частично заменен хромом. Эти

сплавы должны иметь состав, обеспечивающий отсутствие δ-феррита, не слишком низкую температуру МН и вместе с тем содержать хром в количестве, достаточном для получения высокого сопротивления коррозии. Ниже приведены два типичных сплава:

1. 0.02% С; 10% Ni; 10% Сr; 2% Мо; 0.3% А1; 0,2% Ti. Этот сплав не очень значительно упрочняется при старении, и его предел текучести достигает всего 1170—1400 МПа. Однако его ударная вязкость сравнима с таковой для сталей типа 18% Ni—Со Мо при том же уровне прочности.

2. 0,02% С; 7% Ni; 10% Сr; 10% Со; 5,5% Мо. Этот сплав значительно более легирован и дорог, однако в состаренном состоянии он имеет предел текучести ~1500—1600 МПа.

Оба сплава высоко коррозионностойкие вследствие повышенного содержания хрома. Во втором сплаве вместо фазы Ni3Mo выделяется R-фаза, в состав которой входят Сr—Со—Мо и которая подобна фазе, образующейся в сталях типа 12% Сr—Со—Мо.

Основные свойства и применение

В основных типах мартенситно-стареющих сталей, описанных выше, не обеспечиваются свойства, которые превосходят свойства стали 18 % Ni —- 5% Мо—Со стандартного состава. Основные механические свойства этих сталей приведены ниже:

σВ, МПа	770	920	1080	1230	1540	1850	2000
σ0,2, МПа	620	790	950	1130	1460	1800	1950
KCV при 20°С,Дж/см2	237	170	135	85	34	25	19

Стоимость мартенситно-стареющих сталей высока, и она определяется не только стоимостью легирующих элементов, но также и необходимостью применения материалов с высокой степенью чистоты для получения лучшей вязкости и использования однократного или двойного вакуумного переплава. Кроме того, необходимость многократной термической обработки также увеличивает стоимость сплавов.

Рис. 5. Соотношение значений предела текучести и ударной вязкости по Шарпи для мартенситно-стареющей стали с 18 % Ni в состаренном состоянии и для сверхпрочной стали SAE 4340 после закалки и отпуска (2)

Рис. 6. Соотношение между параметрами вязкости разрушения и пределом текучести для мартенситно-стареющей стали с 18% Ni (1) и сверхпрочной стали после закалки и отпуска (2)

Сплав 18% Ni — 5% Мо — 8% Со является единственным, который нашел промышленное применение в значительных масштабах. Он обладает очень высокой вязкостью по сравнению с обычными закаленными и отпущенными сталями (рис. 5 и 6). Падение вязкости происходит при очень низкой температуре (—260°С). Сталь также прекрасно сваривается.

Широкое использование сверхпрочных сталей, обладающих высокой удельной прочностью, имеет место в случае, когда необходима высокая вязкость и стоимость не является лимитирующим фактором. Типично применение стали для легковесных военных мостов, корпусов ракет, высоконапряженных конструкций и арматуры, для экструзионных прессов и штампов, специальных ответственных механизмов и валов, литейных форм, для держателей штампов и легковесных высокопрочных шасси вертолетов, крюков авиационных лееров и др. Как и для всех сверхпрочных сталей, их механическая обработка является проблемой, но не более трудной, чем у обычных закаленных и отпущенных сталей.

Марки Мартенситно-стареющих сталей

Сталь 02Н18К9М5Т-ИД (ЭП637-ИД)

Группа: Конструкционные мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 02Н18К9М5Т-ИД применяется для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения, валы вертолетов. Сварные корпуса двигателей, резервуары высокого давления больших размеров, детали крепежа, зубчатых передач двигателей.

Сталь 02Н18К9М5Т-ИД (ЭП637-ИД) выплавляют в вакуумных индукционных печах с последующим вакуумно-дуговым переплавом.

Химический состав стали:

Al	C	Co	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	Ti
≤0,15	≤0,02	8,5-9,5	Осн.	≤0,1	4,6-5,5	17,7-19	≤0,01	≤0,01	≤0,1	0,6-0,8

Сталь 21НКМТ-ВИ (ВЭС-130)

Группа: Конструкционные мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 21НКМТ-ВИ применяется для изготовления упругих чувствительных элементов сложной формы, подвесов, роторов, гироскопов.

Сплав выплавляется вакуумно-индукционным способом.

Химический состав стали:

≤0,2

≤0,03

8,5-9,5

≤0,3

Осн.

≤0,1

4,5-5,5

20,5-21,5

≤0,01

≤0,1

0,6-0,9

Расч. 0,01

Сталь 03Н15К10М5Ф5-ИД (ЭК169-ИД)

Группа: Конструкционные мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 03Н15К10М5Ф5-ИД применяется для изготовления крупногабаритных высокооборотных маховиков, крупногабаритных тяжелонагруженных деталей, валов, осей, болтов и бандажей роторов.

Сталь ОЗН15К10М5Ф5-ИД выплавляют в вакуумных индукционных печах с последующим вакуумно-дуговым переплавом.

Химический состав стали:

Al	C	Co	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	V
≤0,15	≤0,03	9-9,7	Осн.	≤0,1	4,6-5,3	14,5-15,5	≤0,01	≤0,01	≤0,1	5-5,7

Сталь 03Н14Х4М2Т2-ВИ

Группа: Конструкционные мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 03Н14Х4М2Т2-ВИ применяется для изготовления тяжелонагруженных деталей, крепежных деталей, болтов, осей и емкостей. Сталь выплавляют вакуумно-индукционным способом.

Химический состав стали:

C	Cr	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	Ti
≤0,03	3,7-4,2	Осн.	≤0,1	1,7-2,2	14,5-15,5	≤0,01	≤0,01	≤0,1	1,5-2

Сталь 03Х13Н8Д2ТМ (ЭП699)

Группа: Коррозионностойкие мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 03Х13Н8Д2ТМ применяется для изготовления силовых элементов сварных конструкций, работающих при температурах от 20 до -196 °С.

Сталь выплавляется в открытых индукционных печах.

Химический состав стали:

C	Cr	Cu	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	Ti
≤0,03	12,0-13,0	1,5-2,0	Осн.	≤0,5	0,25-0,75	7,8-8,8	≤0,02	≤0,02	≤0,5	0,7-1,0

Сталь 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921)

Группа: Коррозионностойкие мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 03Х9К14Н6М3Д применяется для изготовления сварных тяжелонагруженных деталей и конструкций при температуре от 400 до —196 °С при воздействии слабоагрессивных сред; обладает высокой эрозионной стойкостью (износостойкие клапана запорных узлов кислородных установок).

Примечание. Сталь выплавляют в открытых индукционных печах, а также методами ВДП и ЭШП.

Химический состав стали:

C	Co	Cr	Cu	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	V
≤0,03	13-14	8,5-9,5	1-1,5	Осн.	0,2-0,6	3,0-4,0	6,0-7,0	≤0,01	≤0,01	≤0,1	0,1-0,25

Выводы

Мартенситно-стареющие стали – это перспективный класс высокопрочных сталей с интерметаллидным упрочнением при окончательной термической обработке – старении – применяющиеся для изготовления деталей, работающих в условиях экстремальных механических нагрузок.

Широкому внедрению этих сталей препятствует их высокая стоимость, обусловленная значительным содержанием никеля, кобальта, молибдена.

Список литературных источников

Бондарь В. И. Новые материалы/ учебн. пособие для студентов металлургических специальностей. – Мариуполь: ПГТУ, 2004. – 71 с.
Малинов Л. С., Малинов В. Л. Экономнолегированные сплавы с мартенситными превращениями и упрочняющие технологии. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2007. – 352 с.
Пикеринг Ф. Б. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: «Металлургия», 1982. – 182 с.
Гуляев А. П. Металловедение. М.: «Металлургия», 1977. – 650 с.
А. П. Шлямнев. и др: «Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы; Справ, изд». - М.: "Интермет Инжиниринг". 2000.