СНУБ стали

Различные методы улучшения низкоуглеродистых бейнитных сталей с комбинацией нужных свойств заключаются в следующем:

1. Очень низкая температура нормализации и быстрая аустенитизация не­обходимы, чтобы получить высокую прочность и повышенные ударн. свойст­ва.

2. Очень низкая температура конца прокатки (<500° С при прокатке тон­ких полос может привести к получению максимальных ударных свойств, но вызывает сравнительно малое повышение прочности. Повышение сопротив­ления ударному нагружению обусловлено существенным измельчением исход­ного аустенитного зерна, что особенно существенно для высокопрочного верх­него бейнита.

3. Горячая деформация аустенита повышает комплекс механических свойств, если температура деформации лишь немного превышает В_н, но при этом требуется высокая степень обжатия.

4. Можно использовать дисперсионное упрочнение после охлаждения стали на воздухе путем легирования ниобием. Однако прирост прочности оказыва­ется небольшим — для высокопрочных сталей он составляет всего ~75 МПа. Добавка в сталь 3% Си обеспечивает прирост предела текучести на 150 МПа, что может быть реализовано в результате охлаждения на воздухе без дополнительного старения. Однако для осуществления дисперсионного упрочнения, обусловленного присутствием меди, необходимо, чтобы температура бейнитного превращения не была выше той, при которой появляются частицы меди.

Получение бейнита после охлаждения на воздухе предотвращает образование закалочных трещин и минимизи­рует коробление после термической обработки.

Низкие содержание углерода и углеродный эквивалент в стали дают возможность получить хорошую свариваемость и способность к формоизме­нению.

Нельзя получить полностью бейнитную структуру во время непрерывного охлаждения вследствие быстрого протекания реакции образования полигонального феррита. В различных низколегированных сталях, в частности в стали с 0,10—0,15 % С и 0,5 % Мо, получают структуру полигонизованного феррита и бейнита после нормализации, а молибден затормаживает реакцию образования полигональ­ного феррита.

Предел текучести бейнита выше, чем у многих сверхмелкозер­нистых сталей с феррито-перлитной структурой, и существенно выше пре­дела текучести низкоуг­леродистой молибдено­вой стали.

Увеличение содержания углерода и многих легирую­щих элементов снижает температуру превращения и повышает прочность сталей с бейнитной структурой. Легирование низкоуглеродистых ста­лей, содержащих 0,5% Мо, приводит к получению временного сопротивления, равного 530—1200 МПа, и предела текучести 450—980 МПа.

Такие прочностные свойства с очень малыми отклонениями можно полу­чить после аустенитизации при 900—950° С и последующего охлаждения на воздухе с различной скоростью или в сечениях различного диаметра. В то же время температура, при которой завершается превращение, не ока­зывается настолько низкой, чтобы ухудшить свариваемость стали, т. е. пре­вращение всегда завершается до достижения 290 °С — предельно низкой тем­пературы, ниже которой можно ожидать появления зоны горячего растрес­кивания.

С понижением температуры превращения структура становится более мелкозернистой и менее равноосной, и если при температурах превра­щения > 550 °С она в основном состоит из кристаллов верхнего бейнита, то после уменьшения температуры превращения ниже 550° С ее основной составляющей станет нижний бейнит.

Изучение всего температурного интервала превращения от 650 до 450° С показало, что имеется линейное увеличение прочности с повышением темпе­ратуры, при которой превращается 50% общего объема аустенита, если со­держание углерода составляет 0,05—0,2% и если температура превращения снижена легирующими элементами.

Выбор легирующих элементов

Выбор элементов для легирования низкоуглеродистых бейнитных сталей определяется требуемыми свойствами и их стоимостью. Основными требова­ниями, предъявляемыми к сталям, являются свариваемость, деформируемость и хорошие ударные свойства. Л егирующие эле­менты, необходимые для достижения высокой прочности, могут оказаться нужными и для компенсации малого содержания углерода.

Важнейшими ме­ханическими свойствами стали являются прочность, пластичность и сопро­тивление ударному нагружению.

П ла­стичность в основном зависит от прочности и не связана с легированием. На­против, сопротивление ударному разрушению зависит от: содержание углерода, прочность, температура превращения, величина зерна исходного аустенита, термическая обработка и химический состав стали.

Высокопрочные стали с бейнитной структурой следует подвергать термической обработке, несмотря на то что она уве­личивает их стоимость.

Марганец и хром являются самыми подходящими элементами для леги­рования. Легирование максимально снижает температуру В_н при минимальном снижении температуры М_н, чтобы предотвратить образование горячих трещин в зоне термического влияния сварного шва.

Углерод является наименее желательным легирующим элемен­том, хотя он и дешевле. Он ухудшает сопротивление удару.

В сталях для получения бейнитной структуры должно быть 0,5% Мо.

Микроструктура бейнита и природа его прочности

Бейнит образуется из аустенита в результате сдвигового превращения.. Существуют две структурные фор­мы бейнита, явно различаемые морфологически и имеющие разные ориентационные соотношения феррита с карбидом. В низкоуглеродистых сталях выделяются карбиды Fe₃C, но в высокоуглеродистых сталях при низкотемпера­турном превращении может образовываться ε-карбид.

Верхний бейнит. В процессе сдвига феррит приобретает форму пластин или реек, которые последовательным кооперированным зарождением образу­ют пакеты.

Нижний бейнит. Поскольку превращение происходит при сравнительно низкой температуре, то первые кристаллы бейнита пересыщены углеродом. Углерод выделяется внутри реек бейнитного феррита, кото­рые уже не так интенсивно образуют бейнитный пакет.

Т.о., карби­ды выделяются в виде тонких пластиночек внутри ферритных реек под харак­терным углом ~ 55° к длинной оси рейки. Fe₃C имеет определенное ориентационное соотношение с ферритом, в котором он образуется.Энер­гия активации этого процесса такая же, как и диффузии углерода в феррите. Чем ниже температура превращения или выше содержание уг­лерода, тем дисперснее рейки бейнитного феррита, мельче частицы карбидов и больше их число на.единицу площади шлифа.

Как в верхнем, так и в нижнем бейните границы между рейками бейнит­ного феррита, сгруппированными в пакет, малоугловые. Эти границы пре­пятствуют движению дислокаций, но не мешают распространяющейся трещи­не.

Природа прочности бейнита.

1. Мелкое зерно феррита, т. е. малая величина бейнитной рейки, размер которой может характеризовать расстояние между барьерами скольжения Длина рейки зависит от диаметра исходного аустенитного зерна или величины ферритной колонии. Ширина рейки уменьшается со снижением тем­пературы превращения так же, как и размер среднего бейнитного зерна.

2. Плотность дислокаций, которая повышается при снижении температу­ры превращения. Присутствие этих дислокаций обусловлено деформацией, сопровождающей превращение. В то же время чем выше плотность располо­жения карбидов, тем выше плотность дислокаций.

3. Дисперсность карбидов, которая тем значительнее, чем выше концент­рация углерода в стали и ниже температура превращения. Су­ществует взаимосвязь между числом карбидов на единицу площади сечения микроструктуры и пределом текучести.

4. Углерод, растворенный в бейнитном феррите, концентрация которого повышается с увеличением температуры превращения. Он вносит вклад в об­щую прочность в результате упрочнения твердого раствора и вследствие взаимодействия с дислокациями, как позволяет предположить изменение вы­соты пика внутреннего трения в отпущенном металле.

2. Свойства низкоуглеродистого бейнита при ударном нагружении.

В верхнем бейните, в больших карбидах или гнездах высокоуглеродистого мартенсита возникают зародыши трещины закритического размера и, развиваясь, приво­дят к хрупкому разрушению. Малоугловые границы бейнитного феррита не препятствуют распространению трещины. Их тормозят только высокоугловые границы бейнитного пакета или границы исходного аустенитного зерна.

Таким образом, трещина может быстро распространяться.

В нижнем бейните дисперсные карбиды не вызывают растрескивания или, если они все же и формируют трещины, размеры последних не превышают кри­тического и они не могут легко инициировать хрупкое разрушение. Однако даже если оно и начнется, то повышенная плотность дислокаций и дисперсные карбиды будут тормозить развивающуюся трещину.

Таким образом, хотя трещины н возникают при более высокой температуре под влиянием повышен­ных напряжений, их распространение затруднено.

Ударную вязкость сталей со структурой верхнего бейнита можно улучшить только измельчением исходного аустенитного зерна, что одновременно будет снижать температуру вязко-хрупкого перехода.

Обычно зерно таких сталей измельчают присадкой алюминия и титана. Следует также применять контролируемую прокатку и, насколько это возмож­но, снижать температуру конца прокатки, чтобы измельчать зерно исходного аустенита.

Такая рекомендация пригодна только при производстве низкопроч­ных сталей, поскольку мелкое зерно аустенита, которое требуется для повышения прочности, можно получить только путем значительного снижения тем­пературы конца прокатки.

Сталь со структурой верхнего бейнита нельзя отпускать, поскольку отпуск не приведет к смягчению стали (и, следо­вательно, снижению температуры вязко-хрупкого перехода), даже если от­пускать ее при очень высоких температурах, когда начинается рост ферритного зерна, ухудшающий ударные свойства.

В нижнем бейните в результате его хорошей исходной ударной вязкости снижение прочности при отпуске приведет к дальнейшему снижению темпера­туры вязко-хрупкого перехода при сохранении благоприятного распределения дисперсных карбидов.

Таким образом, отпуск высокопрочных сталей со струк­турой нижнего бейнита последовательно снижает температуру вязко-хрупкого перехода. Однако при самой высокой температуре отпуска начинает расти ферритное зерно и увеличивается температура вязко-хрупкого перехо­да. Са­мая низкая температура вязко-хрупкого перехода получена для дорогих никелевых сталей.

Оптимальной комбинацией прочности и вязкости в отпущенной высокопрочной стали с малым содержа­нием углерода и структурой нижнего бейнита является предел текучести 500— 550 МПа при температуре вязко-хрупкого перехода — 40° С.

Бейнитные стали можно использовать в закаленном и отпущенном состоянии, хотя в этом случае возрастает их стоимость. Такой материал не столь восприимчивым к потере свойств при неполной закалке и имеет более однородные свойства по сечению крупных заготовок.

Бейнитную, неравноосно-ферритную или бейнито-ферритную структуру имеют разнообразные стали. Стали, содержащие 0,10—0,15% Си 1% W, у которых свойства и металлур­гические характеристики такие же, как и у сталей, легированных 0,5 % Мо-В; полубейнитные стали, в структуре которых присутствует низкоуглеродистый бейнит и полигональный феррит. Эти стали легированы хромом и мо­либденом, но не содержат бор.

Стали с различными вариантами упомянутого выше химического состава используют также после закалки и отпуска; такая структура была характерна для Ni—Мо—В сталей, содержащих <0,25% Мо. Эти стали при значительном содержании никеля обладают хорошими удар­ными свойствами.

В малоуглеродистых сталях с никелем и молибденом (0,02% С, 3,0% Ni, 2,0% Мо) количество бейнита увеличивается. При этом исходное аустенитное зерно измельчали добавками ниобия или алюминия. Легирование бором таких сталей не применяют. Измельчение исходного аустенитного зерна в малоуглеродистой стали наряду с высоким содержанием никеля создает пре­восходные ударные свойства. Однако такие стали дороги, а их_прочность дос­тигает лишь того же уровня, что и у большинства обычных бейнитных сталей.

Стали, содержащие 0,03% С, 2,5—3,5% Мп и 0,05—0,10% Nb, имеют вы­сокую прочность, но, чтобы получить очень хорошие ударные свойства, их на­до закаливать.

Стали, содержащие 0,03% С, 1,7% Мп, 0,25% Мо, 0,06% Nb для газо- и нефтепроводов, в которые добавляли также 0,2% Ni+0,2% Си для достижения необходимой прокаливае­мости и снижения температуры бейнитного превращения. Для их переработки применяют контролируемую прокатку и соблюдают контроль за неме­таллическими включениями.

Возможные или существующие области применения низкоуглеродистых сталей со структурой бейнита (или неравноосного феррита) очень разнообраз­ны. Это штампованные емкости, корпуса котлов, грузоподъемные краны и обо­рудование для лифтов, трубы для транспортировки газа и нефти, детали кон­струкций легких мостов, рудничные стойки, вентиляторы, прочные элементы самолетных конструкций, паровые установки и т. п.

Временное сопротивление таких сталей 600-1200 МПа, пре­дел текучести 450—900 МПа. Ударные свойства, KCU^-60 =190-330 Дж/см².

Л 7. Улучшаемые стали. – 2 ч.