Вязкость разрушения холоднодеформированных порошковых мартенситно-стареющих сталей

09.07.2019
Наибольший эффект в упрочнении обеспечивают холодная деформация сталей в состаренном состоянии и дополнительное старение. Однако состаренные стали, имеющие предел текучести 1500-2000 МПа, плохо поддаются холодной пластической деформации и практическое использование этого способа упрочнения маловероятно. Поэтому представляет интерес исследование влияния на прочностные свойства и вязкость разрушения холодной пластической деформации порошковых мартенситно-стареющих сталей в закаленном (несостаренном) состоянии.

Холодной пластической деформации подвергали спеченные заготовки порошковой стали СПН14К7М5Т2, полученные по оптимальным режимам: давление прессования 700-800 МПа, температура спекания 1300 °С, продолжительность изотермической выдержки 4 ч, вакуум не ниже 1,3-10 Па. Пластическую деформацию осуществляли осадкой заготовок на гидравлическом прессе П-500. Заготовки помещали между полированными плитами из твердого сплава, на поверхность которых для снижения коэффициента трения наносили тонкий слой стеарата цинка. Образцы для испытания на растяжение и вязкость разрушения изготавливали из центральной части Деформированных заготовок механической обработкой.

Холодная пластическая деформация на 30 и 50 % повышает плотность стали соответственно до 7,86 и 7,88 г/см. Пористость заготовок снижается с 6-8 % в исходном состоянии до 1 % после деформации на 30 % и до 0,8 % после деформации на 50 %. Микроструктура деформированных образцов приведена на рис. 81. В плоскости, перпендикулярной направлению усилия деформации, зерна имеют форму, близкую к равновесной, в структуре отсутствуют поры (рис. 81, а, б). В плоскости, параллельной направлению осадки, зерна имеют вытянутую форму, характерную для деформированных сталей (рис. 81, в, г). С увеличением степени деформации возрастает отношение наибольшего размера зерна к наименьшему. В структуре сталей присутствуют также дефекты в виде волосовин и трещин, которые является следами от пор, закрытых в процессе деформации.

На рис. 82 представлено влияние степени холодной пластической деформации на механические свойства и вязкость разрушения порошковой мартенситно-стареющей стали СПН14К7М5Т2. Как известно, мартенситно-стареющие стали слабо упрочняются в ходе холодной пластической деформации. Так, после деформации на 30 и 50 % пределы прочности и текучести возрастают на одинаковую величину (270 и 320 МПа соответственно). Пластические свойства изменяются незначительно.

В процессе старения деформированных сталей наклеп частично снимается, поэтому прирост предела прочности после деформации на 30 % и последующего старения составляет по сравнению со спеченным и состаренным состоянием 190 МПа, а условного предела текучести-150 МПа. После деформации с обжатием на 50 % и старения образцы при испытании на растяжение разрушаются без заметных следов макропластической деформации, т.е. хрупко. Поэтому прочность стали при данных испытаниях полностью не реализуется. Предел прочности увеличивается по сравнению со спеченным состоянием на 70 МПа.

Пластическая деформация практически не изменяет величину коэффициента интенсивности напряжений К1с в закаленном состоянии (рис. 82). Последующее старение деформированных образцов значительно снижает уровень разрушения по сравнению со спеченным и состаренным состоянием. Это связано с тем, что с ростом прочности все большее влияние на процесс разрушения начинают оказывать трещиноподобные дефекты, образовавшиеся на месте закрытия пор в результате деформации. Определенное влияние на снижение величины оказывает также высокий уровень остаточных напряжений в материале.

Аустенитизирующий отжиг деформированных сталей позволяет снизить уровень микронапряжений, а процессы рекристаллизации, происходящие при высокотемпературной аустенитизации, устраняют часть трещиноподобных дефектов, образовавшихся в процессе деформации при закрытии пор.

Как следует из табл. 67, аустенитизирующий отжиг приводит к уменьшению ширины рентгеновских интерференционных линий (HO) и (220), снятых на установке ДРОН-2 в неотфильтрованном Ка-излучении железа. Анализ интерференционных линий показывает, что размер областей когерентного рассеяния (OKP) монотонно возрастает с увеличением температуры аустенитизации от 700 до 1000 °С. При дальнейшем повышении температуры аустенитизации вплоть до 1250 °С размер OKP практически не изменяется.

Одновременно происходит снижение уровня микронапряжений и дефектов кристаллического строения, причем наиболее значительное снижение наблюдается при увеличении температуры аустенитизации от 700 до 800 °С. Повышение температуры отжига свыше 800 °С незначительно изменяет уровень микронапряжений. Микроструктура стали остается неравновесной после аустенитизирующего отжига при 700 и 800 °С, Повышение температуры отжига до 900 °С, соответствующей температуре первичной рекристаллизации, позволяет получить структуру с равновесными мелкими зернами. Дальнейшее повышение температуры аустенитизации до 1000, 1250 °C приводит к интенсивному росту зерен (рис. 83).

Влияние аустенитизирующего отжига в течение 30 мин на механические свойства и коэффициент интенсивности напряжений спеченной мартенситно-стареющей стали СПН14К7М5Т2 представлено на рис. 84, 85.

Предел прочности и условный предел текучести стали в закаленном (несостаренном) состоянии монотонно снижается, а пластические свойства возрастают с ростом температуры отжига до 900 °С. Снижение прочностных характеристик и повышение пластических свойств связано со снятием микронапряжений и залечиванием дефектов в процессе отжига. Изменение механических свойств стали в закаленном состоянии хорошо коррелирует с данными рентгеноструктурного анализа. Предел прочности сталей, деформированных с обжатием, равным 30 и 50 %, при повышении температуры аустенитизации свыше 900 °C практически не изменяется, а условный предел текучести незначительно снижается. Относительное удлинение и сужение стали, деформированной на 50 %, приобретают максимальные значения после аустенитизации при 900 °С, а для деформированной на 30 % стали такого насыщения не наблюдается.

Низкотемпературная аустенитизация при 700-800 °C значительно понижает прочность стали в состоянии после старения (рис. 84, 85). При этом одновременно возрастают пластические свойства и коэффициент интенсивности напряжений. Более высокая прочность стали после низкотемпературной аустенитизации связана, с одной стороны, с тем, что в состоянии после деформации и старения не удается реализовать прочность материала при испытании на растяжение гладких цилиндрических образцов из-за низкого уровня коэффициента интенсивности напряжений и присутствия в структуре трещиноподобных дефектов, а с другой стороны, вследствие более интенсивного старения мартенсита после аустенитизации.


С повышением температуры аустенитизации до 900, 1000 °С прочностные свойства стали несколько снижаются, однако остаются выше, чем в деформированном и состаренном состоянии. Показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) достигают максимальных значений.

Коэффициент интенсивности напряжений достигает максимального значения после отжига при 900 °С. Аустенитизирующий отжиг в районе 900 С, соответствующих температуре первичной рекристаллизации, до минимума снижает величину внутренних напряжений в материале, что подтверждает данные рентгеноструктурного анализа и минимальный уровень прочностных свойств в закаленном состоянии, а также позволяет наиболее полно устранить макродефекты, присутствующие в структуре.

В процессе охлаждения образцов после отжига при температуре 1000 °C и выше (скорость охлаждения составляла в среднем 10 °С/мин) происходило выделение карбонитридов титана по границам аустенитных зерен.

С выделением карбонитридов связано снижение вязкости разрушения стали после высокотемпературного отжига.

На рис. 86, а представлена поверхность разрушения после испытания на К1с образцов, деформированных на 50 %. В изломе видны поры, которые приобрели вытянутую форму в процессе деформации стали. Часть пор раскрылась при разрушении. В целом характер излома вязкий, видно большое количество крупных и мелких ямок. Аустенитизация при 800 С практически не изменяет характер разрушения стали (рис. 86, б). В изломе присутствуют поры, раскрывшиеся в процессе распространения трещины, и ямки, указывающие на вязкий характер разрушения.

После аустенитизации при 900 °С сталь имеет наиболее высокие характеристики вязкости разрушения. В изломе присутствует значительно меньшее количество пор. Наряду с характерными для вязкого типа разрушения ямками встречаются небольшие по площади участки квазискола (рис. 87, а) в верхнем правом углу фрактограммы. Аустенитизация при 1000 и 1250 °С приводит к значительному снижению значений вязкости разрушения. Изломы образцов (рис. 87, б) имеют смешанный вязкохрупкий характер разрушения. С повышением температуры аустенитизации в изломе увеличивается доля площади, занятая фасетками квазискола, однако следов межзеренного разрушения не обнаружено.

Следует отметить, что если в структуре сталей после аустенитизации при 900-1250 °С отсутствуют дефекты, волосовины, следы от закрывшихся в процессе деформации пор (рис. 83), то на фрактограммах поры, имеющие характерную вытянутую форму, наблюдаются при исследовании всех изломов, хотя их количество с повышением температуры аустенитизации уменьшается. Это подтверждает, что при аустенитизации часть дефектов залечивается в процессе рекристаллизации, но полностью исключить пористость холодной деформацией и последующим отжигом не удается.

Таким образом, применение холодной деформации и последующего отжига позволяет одновременно повысить прочность и вязкость разрушения порошковых мартенситно-стареющих сталей. При изготовлении деталей из порошковых мартенситно-стареющих сталей целесообразно использовать операцию калибрования с последующим аустенитизирующим отжигом при температуре 900 °С, что позволяет существенно повысить конструктивную прочность деталей.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна