Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важных задач современного материаловедения является разработка новых составов и режимов упрочнения машиностроительных материалов с повышенным комплексом физико-механических и функциональных свойств, обеспечивающих возможность безаварийной эксплуатации изделий и конструкций в сложных температур-но-силовых условиях нагружения. Одним из перспективных направлений улучшения свойств сталей и сплавов различного назначения является использование эффекта метастабильности аустенита в условиях приложения механической нагрузки. Структура и свойства сталей с метастабильным ау-стенитом весьма подробно изучены в работах отечественных и зарубежных ученых. Поэтому явление метастабильности аустенита, получившее широкую известность, формально уже не может претендовать на принципиальную научную новизну. Однако вопросы, касающиеся грамотного и обоснованного использования этого физического процесса и, в частности, рассмотрения особенностей влияния развития деформационных мартенситных превращений на формирование характеристик прочности и сопротивления разрушению металлических изделий применительно к конкретным составам сталей и сплавов требуют пристального внимания и представляются, несомненно, актуальными.
Так, весьма важным является учет возможности использования эффекта полиморфного у—>а превращения аустенита в процессе пластической деформации как на стадии предварительной технологической обработки изделия, так и в ходе его эксплуатации при различном уровне напряжений и характере приложения нагрузки. Если иметь в виду такой принципиальный подход, то возникает необходимость определить четкие и приемлемые параметры, с одной стороны, самих материалов, а с другой, рациональной технологии их изготовления и последующей обработки. В этой связи возникает задача, связанная с выбором материала и нужной технологии его обработки, которые обусловлены функциональными особенностями использования рассматриваемого изделия. Именно решению такой научной проблемы посвящено настоящее диссертационное исследование.
Цель и задачи исследования. Основная цель настоящего исследования - выявление влияния метастабильного аустенита на деформационное упрочнение и сопротивление разрушению сталей различного структурного типа на основе Fe-Cr-Ni и Fe-Ni-Mo композиций.
В этой связи основными задачами исследования являлось:
-
Обоснование выбора сталей, в которых реализация деформационного у—>а превращения обеспечивается либо на стадии предварительной технологической обработки, либо в процессе непосредственного эксплуатационного нагружения.
-
Изучение влияния параметров термомеханического упрочнения на характер превращения метастабильных у-фазы аустенитной сталях на Fe-Cr-Ni основе.
-
Установление оптимальных режимов термомеханической обработки с целью формирования высоких механических свойств проволоки из мета-стабильной хромоникелевой аустенитной стали 12Х17Н8Г2С2МФ (ЗИ-126).
-
Выявление роли метастабильного аустенита как фактора повышения комплекса механических свойств, характеристик трещиностойкости и сопротивления изнашиванию мартенситно-стареющих Fe-Ni-Mo сталей.
-
Выработка рекомендаций по оптимизации режимов термического упрочнения конструкционных сталей мартенситно-стареющего класса с ме-тастабильным аустенитом различного структурного типа.
-
Практическое использование аустенитной и мартенситно-стареющих сталей с регулируемой стабильностью у-фазы для получения изделий с требуемым набором функциональных свойств.
Основные научные и практические результаты. Было дано научное обоснование практической применимости регулируемой стабильности у-фазы в зависимости от функционального назначения сталей различного структурного класса. Это может быть реализовано как на этапе предварительной технологической операции, необходимой для формирования требуемых служебных свойств изделия, так и в условиях самого эксплуатационного нагружения. В первом случае объектом рассмотрения являлись пружинные материалы, в которых при эксплуатации в принципе важно исключить даже минимальную возможность микропластической деформации. Во втором случае исследовались материалы, отличающиеся высокой вязкостью разрушения вследствие развития полиморфного у—»а превращения в вершине трещины в ходе эксплуатационного нагружения. С учетом изложенного подхода в работе, рассматривались стали аустенитного и мартенситно-стареющего классов, как наиболее полно отвечавшие сформулированным условиям.
Были выявлены особенности изменения фазового состава, структуры и механических свойств, а также изучены условия накопления несплошно-стей в холоднодеформированных аустенитных Fe-Cr-Ni сталях с метаста-бильной у-фазой. Характер термомеханического упрочнения таких сталей определяется преимущественно деформационным наклепом и усиливается в результате последующего старения. Эффективность такой обработки непосредственно связана с уровнем метастабильности у-твердого раствора и возможностью образования мартенсита в ходе пластической деформации. Было показано, что вклад мартенсита в деформационное упрочнение, оказывается относительно умеренным, однако существенно возрастает при последующем старении. За счет такого комбинированного режима обработки обеспечивается возможность повышения прочности проволоки до уровня свыше 2500 МПа.
Было установлено, что для высокопрочных мартенситно-стареющих сталей в зависимости от условий эксплуатационного нагружения оптимальным может быть определенный тип аустенита (остаточный или ревертиро-
ванный), обладающий различной способностью к развитию деформационного мартенситного превращения.
Было показано, что ревертированный аустенит можно в достаточно широких пределах регулировать по составу и объемной доле. При этом он более структурно устойчив и менее склонен к образованию а-фазы при деформации. Вместе с тем его получение связано с термической обработкой в режиме перестаривания, что может вызывать существенное снижение уровня прочностных свойств.
Было установлено, что остаточный аустенит в силу особенностей состава характеризуется меньшей стабильностью по отношению к полиморфному у-»а превращению, однако его труднее количественно регулировать в требуемых пределах..
Практическая реализация научных результатов исследования состояла в разработке технологии изготовления высокопрочных коррозионностойких пружин из аустенитной стали 12Х17Н8Г2С2МФ, используемых при изготовлении насосов, которыми комплектуются буровые установки, выпускаемые на ОАО "Уралмашзавод". Мартенситно-стареющая сталь 03Н18М5ТЮ, обработанная по режиму, обеспечивающему создание в ее структуре заданного количества ревертированного аустенита, прошла успешную апробацию на ОАО "Каменск-Уральский металлургический завод" в качестве заменителя штамповой стали ЗХ2В8Ф для прессового инструмента горячего деформирования при изготовлении защитных алюминиевых оболочек силовых кабелей.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении соответствующих разделов дисциплин "Специальные стали и сплавы" и "Физические основы прочности, пластичности и разрушения" для студентов специальности 150501 "Материаловедение в машиностроении".
Положения, выносимые на защиту:
-
Обоснование принципа использования метастабильности у-фазы на разных этапах технологического нагружения сталей различного структурного класса (аустенитного и мартенситного) в зависимости от характера их функционального назначения.
-
Особенности влияния мартенсита деформации на упрочнение мета-стабильных аустенитных сталей на Fe-Cr-Ni основе на различных стадиях термомеханической обработки.
-
Оценка роли и эффективности использования метастабильности аустенита различного структурного типа - остаточного, ревертированного - в мартенситно-стареющих сталях Fe-Cr-Ni и Fe-Ni-Mo композиций.
-
Научно обоснованные и практически апробированные режимы обработок сталей аустенитного и мартенситно-стареющего классов, обеспечивающие регулируемый эффект у-»а превращения при деформации с целью получения оптимальных характеристик прочности и трещиностойкости.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на всероссийских научно-технических конференциях: конференции "Актуальные проблемы материаловедения", (Ново-
Кузнецк, 1997), XXXV конференции "Актуальные проблемы прочности", (Псков, 1999), XTV, XV и XVIII Уральских школах металловедов-термистов (Ижевск, 1998, Екатеринбург, 2000, Тольятти, 2006), конференции "Наука-производство-технологии-экология" (Киров, 2001), П Евразийской конференции "Прочность неоднородных структур" - ПРОСТ 2004 (Москва, МИСИС, 2004)
Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 12 научных работах, из них: 2 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК, 4 статьи в сборниках научных трудов, 6 тезисов в сборниках трудов всероссийских и международных научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы; изложена на 138 страницах, включает 47 рисунков, 16 таблиц, список литературы содержит 133 наименования.
