Использование низкоуглеродистого мартенсита в сталях мартенситного класса

Аннотация: в данной статье рассмотрены основные аспекты использования пакетного мартенсита в низкоуглеродистых мартенситных сталях. Дано определение мартенсита и описаны его основные виды. Выделены отличия видов мартенсита друг от друга. Кроме того, в работе приведено описание низкоуглеродистого пакетного мартенсита.
Ключевые слова: мартенсит, низкоуглеродистая сталь, металл, закалка, аустенит.
В настоящее время технологии на основе многочисленных физико-механических свойств мартенситных материалов являются особенно востребованными. Они применяются в самых разных отраслях, но особую распространенность имеют в промышленности, где применяются все виды мартенсита.
Собственно мартенсит – это зерна игольчатой формы в микроструктуре металла, которые представляют собой перенасыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе [2]. Данная структура является характерной для сталей, прошедших так называемую процедуру закалки, а также для некоторых чистых металлов, обладающих полиморфизмом.
Мартенсит в сталях мартенситного класса может быть в разных видах, основными из которых являются следующие [1]:
Пластинчатый (двойниковый) мартенсит. Его образование происходит при температуре начала мартенситного превращения ниже 200°С. Образовавшиеся мартенситные пластины имеют среднюю линию повышенной травимости, которая называется мидрибом. Мидриб состоит из большого числа двойников по плоскостям, толщина которых составляет 5-30 нм.
Реечный (пакетный) мартенсит. Температура начала мартенситного превращения для данного вида мартенсита выше 300°С. В данном случае кристаллы мартенсита представлены в виде тонких реек толщиной 0,2-2 мкм, вытянутых в одном направлении. Сосредоточение параллельных друг другу реек образует пакеты. Между собой данные рейки разделены тонкими прослойками остаточного аустенита толщиной 10-20 нм.
Вышеперечисленные виды мартенсита отличаются друг от друга, прежде всего, тем, что их образование обусловлено различной температурой, которая зависит непосредственно от состава сплава и других факторов. Так, низкая прочность аустенита при высокой температуре способствует образованию реечного мартенсита, а с понижением температуры, когда прочность аустенита выше, увеличивается доля пластинчатого мартенсита. Кроме того, реечный мартенсит имеет повышенную релаксационную способность, чего нет у пластинчатого вида мартенсита.
Стоит отметить, что мартенсит только реечного типа образуется в низкоуглеродистых мартенситных сталях, где отсутствует остаточный аустенит. Температура начала мартенситного превращения у таких сталей порядка 400°C [3]. По своим свойствам и особенностям низкоуглеродистый пакетный мартенсит подходит для применения намного лучше, нежели другой его вид.
899160109982000Низкоуглеродистые мартенситные стали имеют высокую устойчивость переохлажденного аустенита как в области нормального, так и промежуточного превращения. На рисунке 1 представлена исходная структура низкоуглеродистой мартенситной стали.
Рис. 1. Исходная структура исследуемой стали
Охлаждение низкоуглеродистой мартенситной стали на воздухе непосредственно с температуры конца горячей деформации обеспечивает высокий комплекс механических свойств.
После закалки независимо от охлаждающей среды, структура стали включает главным образом пакетный мартенсит. Повышенная плотность дислокаций в пакетном мартенсите и дисперсность характерных элементов структуры – реек обусловливают высокий уровень прочности, а подвижность дислокаций – пластичность и релаксационную способность.
119443563690500Микроструктура низкоуглеродистой мартенситной стали после изотермической выдержки представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Микроструктура сталей после изотермической выдержки
Структура реечного мартенсита, формирующаяся после закалки низкоуглеродистой мартенситной стали, представляет собой набор параллельных друг другу кристаллов, имеющих форму трехосного эллипсоида. Данная структура изображена на рисунке 3.
12579354508500
Рис. 3. Тонкая структура низкоуглеродистой мартенситной стали
С уменьшением скорости охлаждения заготовок после ковки наблюдается падение прочностных характеристик. Так, разница между пределом прочности после водного охлаждения и пределом прочности после печного охлаждения составляет всего 140 МПа, в то время как ударная вязкость, определенная на образцах с V-образным концентратором, увеличивается на 43 Дж/см2 (в 1,5 раза) [4].
Скорость охлаждения ковки существенным образом влияет на размер зерна стали. На рисунках 4-6 представлены микроструктуры пакетного мартенсита заготовок, охлажденных после ковки с различными скоростями.
1201420-254000
Рис. 4. Микроструктура стали после охлаждения с температуры конца горячей деформации в воде
119443514033500
Рис. 5. Микроструктура стали после охлаждения
117348029273500с температуры конца горячей деформации на воздухе
Рис. 6. Микроструктура стали после охлаждения
с температуры конца горячей деформации в печи
Как видно из соотношения скорости охлаждения и величины зерна и рис. 4-6, с уменьшением скорости охлаждения происходит измельчение зерненной структуры материала. Так, после охлаждения с печью размер зерна составил 17 мкм. Измельчение зерненной структуры при медленном охлаждении, прежде всего, связано с протеканием процессов рекристаллизации в широких температурных интервалах, которые были подавлены в случае охлаждения заготовки после горячей деформации в воде.
Высокая прочность в сочетании с высокой ударной вязкостью в широком интервале скоростей охлаждения обусловлены особенностями структуры реечного мартенсита и отсутствием продуктов промежуточного превращения благодаря высокой устойчивости переохлажденного аустенита.
Таким образом, низкоуглеродистая мартенситная сталь обладает рядом уникальных свойств, что делает пакетный мартенсит наиболее качественным и эффективным в своем применении. Именно поэтому низкоуглеродистый пакетный мартенсит используется во всех промышленных отраслях, в приборостроении, медицине и других областях, где необходимы его особенные физико-механические свойства.
Список использованных источников:
Клейнер Л.М., Шацов А.А. Нанокристаллическая структура низкоуглеродистого реечного мартенсита и конструкционная прочность // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2007. – Т. 4, № 1. – С. 72–75
Структурная наследственность в низкоуглеродистых мартенситных сталях / С.С. Югай, Л.М. Клейнер, А.А. Шацов, Н.Н. Митрохович // МиТОМ. – 2004. – № 12. – С. 24–29
Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ при закалке / С.С. Югай, Л.М. Клейнер, А.А. Шацов, Н.Н. Митрохович // ФММ. – 2004.– Т. 97, № 1. – C. 107–112
Фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях / Л.М. Клейнер, Д.М. Ларинин, Л.В. Спивак, А.А. Шацов // ФММ. – 2009. – Т. 108, № 2. – С. 161–168