Введение к работе
Актуальность проблемы. Одна из основных проблем металлургии -повышение конструктивной прочности металла. Решение этой проблемы позволяет повысить надежность и долговечность деталей и конструкций, а также снизить расход металла, что приведет к снижению их стоимости. Из большого числа способов повышения прочности конструкционных сталей наиболее важным является легирование. Один из самых распространенных легирующих элементов - углерод, вместе с повышением прочности, увеличивает склонность стали к хрупкому разрушению, ухудшает пластичность- и коррозионную стойкость, а выделяющиеся при отпуске карбиды часто затрудняют последующую термическую обработку, і Повышения комплекса механических свойств можно достигнуть использованием безуглеродистых материалов. Исследования в этом направлении привели к созданию принципиально нового класса высокопрочных материалов - мартенситностареющих сталей (МСС). МСС получили широкое распространение благодаря уникальному сочетанию механических свойств и технологичности. Отличительной особенностью МСС является то, что основной вклад в упрочнение вносят дисперсные интерметаллидные частицы, выделяющиеся в результате старения мартенситной фазы. В настоящее время ведется совершенствование МСС по двум основным направлениям:
1) оптимизация легирования;
2) перспективные схемы термической (ТО) и термомеханической
(ТМО) обработок.
По обоим направлениям существует достаточно много работ. Однако, повышенный в последние годы интерес к проблеме использования азота в сталях как легирующего элемента,' наметил новые перспективы для МСС, что вызвано следующими причинами:
- азот в значительных количествах удается ввести только . в
высоколегированные стали; е
азот сильно стабилизирует аустенит, что можно использовать для создания регламентированной двухфазной аустенитно-мартенситной структуры с требуемым комплексом свойств;
азот обеспечивает упрочнение по двум механизмам: как элемент внедрения в твердом растворе и за счет выделения мелкодисперсных нитридов;
стали с азотом имеют более мелкозернистую структуру;
азот не является дефицитным элементом и его введение в сталь в небольших количествах (до 0.4 %) не представляет больших технологических трудностей.
Проведенные в последние годы исследования показывают, что коррозионностойкие стали с азотом - надежный и экономичный конструкционный материал.
Цель работы. Исследование влияния азота на упрочнение коррозионностойкой мартенситностареющей стали (КМСС) на основе разработанной системы легирования (I5-16)Cr-(5-I0)Ni-2Cu-Mo-V(Nb)-(0.1-0.2)N путем применения различных схем термической и термомеханической обработок. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучить влияние азота на структуру и фазовый состав КМСС;
-. исследовать возможности получения азотистого мартенсита и влияние деформации на формирование фазового состава и структурного состояния сталей;
изучить процессы старения аустенитной и мартенситной фаз азотсодержащих сталей;
разработать схемы термической и термомеханической обработок для повышения прочностных и служебных свойств КМСС с азотом;
Научная новизна. Исследованы коррозионностойкие
азотсодержащие стали, полученные на базе мартенситностареющей стали 07Х15Н5Д2МБТ. Установлено, что оптимальное количество азота,
5 вводимое в сталь, находится в пределах 0.1-0.15 %. Это позволяет проводить выплавку сталей с азотом в открытой печи. Небольшое количество азота позволяет избежать выделения крупных нитридов, но в то же время регулировать содержание азота в твердом растворе и формировать нужный фазовый состав с требуемыми свойствами..
Предложенная система легирования дает возможность при различных размерах слитков получать равномерное распределение азота по сечению и регулируемый фазовый состав при использовании различных обработок (закалка, ВТМО).
В азотсодержащих сталкх аустенитного и аустенитно-маргенситного классов за счет мартенситного превращения, идущего прц нагружении, и оптимизации схем термомеханической обработки возможно достижение уровня прочности мартенситно-аустенитных сталей (1100-1200 МПа) в сочетании с высокой пластичностью и ударной вязкостью, характерной для чисто аустенитных структур. При этом сохраняется высокая коррозионная стойкость таких сталей в слабоагрессивных средах, а износостойкость возрастает вдзое.
Подобранные схемы ТМО с использованием эффекта двойного старения позволяют получать на азотсодержащих сталях набор двухфазных структур (с содержанием мартенсита 50+80 %) с широким спектром механических свойств (ав-1200-5-1500 МПа, 8=34+11 %, KCU=1.1+0.6 МДж/м2) в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.
Практическая ценность работы. Получены, и исследованы аустенитные и аустенитно-мартенситныс стали на основе системы 15Сг-(5+10)Ni-2Cu-Mo-V(Nb)-Ti-N, совмещающие преимущества аустенитных и мартенснтных сталей и позволяющие варьировать фазовый состав в широких " пределах. Предложенные режимы термической и термомехапической обработок ' азотсодержащих сталей с исходной аустенитной структурой, включающие звкалку и ВТМО со степенью обжатия є=80-120 %-за 2-3 прохода с получением полигонизоианной
6 структуры и последующее высокотемпературное сгарение аустенита, приводят к достижению прочности 1200 МПа. Дополнительная обработка аустенитных сталей холодом (-70 С, 24 часа) вызывают появление мартенсита в структуре и повышение прочности до 1440 МПа. Установлены температурные интервалы старения азотистого мартенсита для получения высокой твердости за счет, выделения интерметаллидпых фаз и карбонитридов.
Исследовано влияние холодной деформации на структуру и свойства азотсодержащих сталей. Показано, что холодная деформация таких сталей позволяет добиться более высокого уровня свойств (а„ до 1500 МПа) по сравнению с аналогичными безазотистыми сталями.
Исследованные аустснитные азотсодержащие стали с повышенным пределом прочности (1000-1200 МПа), текучести (700-900 МПа) и стойкостью к коррозии в слабоагрессивных средах рекомендованы к использованию в качестве замены традиционных аустенитных нержавеющих сталей типа Х18Н10Т, а двухфазные стали с азотом с пределом прочности 1300-1500 МПа - как экономнолегированные МСС для работы в условиях отсутствия жесткого трения.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на научно-техническом семинаре "Термомеханическая обработка металлических материалов", 1994 г, научно-технической конференции "Бернштеиновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов", Москва, 1996 г, и конференциях молодых ученых, Москва, МИСиС, 1995,1996 гг. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы /наименований/, приложения, изложена на /б* страницах машинописного текста, содержит ^ иллюстраций и э і таблиц.
