Влияние легирования никелем и молибденом на устойчивость аустенита и формирование структуры и свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей с повышенным содержанием углерода
В последние десятилетия 20 века разработан новый класс материаловнизкоуглеродистые мартенситные стали (НМС), обладающих исключительными технологическими свойствами. Они легированы таким сочетанием элементов, которое при содержании углерода менее 0,12% обеспечивает высокую устойчивость аустенита при охлаждении, гарантирующую прокаливаемость до сечений 200−250 мм при охлаждении на воздухе… Читать ещё >
Содержание
- 05. 16. 01. — Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
- 1. Формирование структуры при мартенситном превращении, 9 конструкционная прочность и технологичность низколегированных сталей мартенситного
- 1. 1. Низкоуглеродистые мартенситные и традиционные 9 конструкционные стали
- 1. 1. 1. Анализ свойств современных среднеуглеродистых 9 конструкционных сталей
- 1. 1. 2. Преимущества низкоуглеродистых мартенситных сталей
- 1. 2. Конструкционная прочность
- 1. 2. 1. Пути повышения конструкционной прочности
- 1. 2. 2. Структура низкоуглеродистой мартенситной стали с 17 высокой конструкционной прочностью
- 1. 3. Мартенситное и бейнитное превращение в 18 среднеуглеродистых конструкционных сталях
- 1. 3. 1. Мартенситное превращение (сдвиговое превращение) в 18 сталях с содержанием углерода 0,2−0,6%
- 1. 3. 2. Способы получения низкоуглеродистого пакетного 23 мартенсита
- 1. 3. 3. Бейнитное превращение (промежуточное превращение)
- 1. 4. Влияние легирующих элементов на фазовые превращения, 33 структуру и свойства НМС
- 1. 4. 1. Влияние содержания углерода на устойчивость аустенита структуру и свойства
- 1. 4. 2. Влияние никеля, хрома и молибдена на устойчивость 36 переохлажденного структуру и свойства сталей
- 1. 5. Процессы отпуска в сталях с мартенситной структурой
- 1. 6. Постановка задачи
- 2. 1. Материалы исследования
- 2. 2. Методики исследований
- 2. 2. 1. Металлографический анализ
- 2. 2. 2. Электронно-микроскопические исследования
- 2. 2. 3. Дилатометрические исследования
- 2. 2. 4. Магнитометрические исследования
- 2. 2. 5. Дифференциальная сканирующая калориметрия
- 2. 2. 6. Рентгеноструктурный анализ
- 2. 2. 7. Испытания на растяжение
- 2. 2. 8. Испытания на ударную вязкость
- 2. 2. 9. Дюрометрические исследования
- 3. 1. Исследование влияния исходного состояния на фазовые 62 превращения при нагреве и охлаждении
- 3. 1. 1. Влияние исходного состояния стали на размер зерна и 62 твердость
- 3. 1. 2. Исследование исходной структуры
- 3. 1. 3. Влияние исходного состояния на температуры фазовых 66 переходов
- 3. 2. Влияние химического состава сталей на устойчивость 69 переохлажденного аустенита, положение критических температур фазовых переходов
- 3. 2. 1. Влияние легирования на устойчивость переохлажденного 69 аустенита
- 3. 2. 2. Влияние никеля на устойчивость переохлажденного 81 аустенита
- 3. 2. 3. Влияние молибдена на устойчивость переохлажденного 83 аустенита при одинаковом содержании углерода
- 3. 2. 4. Влияние углерода (0,17−0,24%) при одинаковом содержании 84 молибдена на превращение переохлажденного аустенита
- 3. 2. 5. Исследование возможности выделения карбидов при 85 изотермических выдержках
- 3. 3. Исследование влияния температуры аустенитизации на размер 87 зерна и твердость
- 3. 4. Влияние скорости охлаждения после аустенизации на 95 твердость сталей
- 5. 1. Условия работы и характеристики материалов винтовых 115 забойных двигателей
- 5. 2. Результаты натурных испытаний деталей винтовых забойных двигателей из НМС 24Х2Г2НМ
Влияние легирования никелем и молибденом на устойчивость аустенита и формирование структуры и свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей с повышенным содержанием углерода (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Современные конструкционные материалы должны обладать широким спектром свойств и стабильно их проявлять при экстремальных значениях параметров нагружения. Такая стабильность механических свойств возможна только в случае гарантированного получения необходимой структуры материала. Для высокопрочных сталей оптимальной базовой является структура низкоуглеродистого пакетного мартенсита.
Применяемые в настоящее время стали с прочностью ств = 800−1200 МПа имеют ряд технологических недостатков. Низкая устойчивость аустенита при охлаждении обусловливает необходимость закалки в жидких средах. В результате возникают высокие остаточные напряжения, коробление и деформация, необходимость правки. Стали с прочностью ав > 800 МПа плохо свариваются. При сварке необходим предварительный подогрев или ограничение времени между сваркой и последующим отпуском. В закаленном состоянии эти стали имеют низкие характеристики вязкости и пластичности.
В последние десятилетия 20 века разработан новый класс материаловнизкоуглеродистые мартенситные стали (НМС), обладающих исключительными технологическими свойствами. Они легированы таким сочетанием элементов, которое при содержании углерода менее 0,12% обеспечивает высокую устойчивость аустенита при охлаждении, гарантирующую прокаливаемость до сечений 200−250 мм при охлаждении на воздухе. Типичными представителями НМС, широко применяемые в промышленности в настоящее время, являются стали 12Х2Г2НМФТ, 07ХЗГНМ, 08Х2Г2Ф, 20ХЗГЗНМФБ. Для НМС с низким содержанием углерода характерна высокая прокаливаемость при медленном охлаждении на воздухе. Особое строение низкоуглеродистого мартенсита (С < 0,11%, Мн «400 °С) — пакетный мартенсит с высокой плотностью слабо закрепленных дислокаций (101СИ2см» 2), и, как следствие, малыми остаточными напряжениями, обеспечивает прочность ств = 1000−1200 МПа в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью в свежезакаленном состоянии.
Особенность формирования структуры НМС позволяет осуществлять совмещенный процесс горячего формообразования (прокатки, ковки, штамповки и т. п.) с закалкой на воздухе при температуре цеха, т. е. без специальных охлаждающих сред, зачастую экологически вредных (масло, щелочи и др.). Применение термоупрочненных заготовок исключает самостоятельную операцию закалки и использование соответствующего оборудования для нагрева и охлаждения.
При наличии оборудования для горячей деформации, обеспечивающего требуемую точность заготовок, для НМС исключается необходимость правки, применяемой после закалки в жидких средах заготовок из традиционных сталей, подверженных короблению. Низкая склонность к деформации, высокая прокаливаемость и достаточно высокая отпускоустойчивость и вязкость в закаленном состоянии обусловливают хорошую свариваемость НМС в закаленном состоянии с прочностью ав > 1000 МПа.
Высокая технологичность НМС при изготовлении термоупрочненного проката на металлургических заводах и заготовок деталей и сварных конструкций на машиностроительных заводах, позволяет сократить производственный цикл, исключить применение вредных закалочных жидкостей, самостоятельную операцию закалки при осуществлении совмещенного процесса горячей деформации с закалкой на воздухе, обеспечить прочность ств>1000 МПа.
При сварке термоупрочненных конструкций не требуется подогрева и ограничения времени между сваркой и отпуском.
Одно из направлений дальнейшего прогресса в сталях мартенситного класса связано с повышением конструкционной прочности — рациональным легированием, обеспечивающим мартенситное превращение при медленном охлаждении. Легирование мартенситных сталей позволяет обеспечить прокаливаемость в крупногабаритных изделиях при замедленном охлаждении на спокойном воздухе и, в результате, отказаться от использования экологически вредных закалочных сред.
Увеличение в стали содержания углерода дает возможность повысить характеристики прочности. Однако при этом возникает риск снижения устойчивости переохлажденного аустенита и развития крайне нежелательного, с точки зрения обеспечения вязкости, бейнитного превращения. Поэтому поиск составов сталей, позволяющих повысить характеристики прочности, и одновременно сохранить преимущества сталей со структурой пакетного мартенсита, является актуальным как с научной, так и с практической точек зрения.
В работе изложены принципы создания НМС с повышенной прочностью, особенности структурообразования, обеспечивающие указанные преимущества. Выбор химического состава стали по параметрам цена — качество предполагал рациональное легирование, то есть обеспечение максимального повышения комплекса эксплуатационных и технологических свойств при минимальном количестве дорогих легирующих элементов.
119 ВЫВОДЫ.
1. Изучено влияние легирования никелем и молибденом при повышенном содержании углерода на устойчивость переохлажденного аустенита новых НМС. Установлено, что легирование в пределах С — 0, 17 -0,24%, Сг и Мп — 2%, № - 1,5 — 2,5%, Мо — 0,3 — 1%, обеспечивает устойчивость аустенита в нормальной области превращения от 3 до 8 часов, отсутствие бейнитного превращения, повышение температуры начала мартенситного превращения до 380 °C.
2. Показано, что состав стали с повышенным содержанием углерода и размером зерна 10 мкм, обеспечивает получение структуры пакетного мартенсита, при охлаждении на спокойном воздухе в деталях размером до 350 мм.
3. Впервые разработаны НМС с повышенным содержанием углерода, в которых, рациональным легированием достигнута высокая устойчивость переохлажденного аустенита в области нормального превращения, исключено бейнитное превращение и обеспечено формирование при охлаждении на воздухе в больших сечениях структуры реечного мартенсита. В результате получены высокие значения прочности, при сохранении высокой вязкости и технологичности, присущей НМС с содержанием углерода 0,12%. Наилучшие результаты достигнуты на стали 24Х2Г2Н1,5М0,5. Получены следующие значения прочности ав = 1550 МПа, ст0,2 = 1240 МПа, пластичности 8 = 15%, = 50% и вязкости КСУ = 75 Дж/см, прокаливаемость не менее 350 мм, а у менее легированной стали 17Х2Г2Н1 прочность составляет ств = 1320 МПа, сто, 2= Ю60 МПа, пластичность 5 = 15%, |/ = 55%, вязкость КСУ = 66 Дж/см и обеспечена прокаливаемость в деталях размером не менее 110 мм.
4. Методом ДСК установлено, что при нагреве НМС с повышенным содержанием углерода до 0,24%, без применения сильных карбидообразующих элементов превращение аустенита в межкритическом интервале температур начинается по сдвиговому механизму и завершается по диффузионному.
5. Разработаны параметры термического упрочнения НМС, заключающиеся в закалке на воздухе с температуры 980 °C или с деформационного нагрева и последующем отпуске при 250 °C.
6. Показано, что в зависимости от требований по прокаливаемости, для конкретных деталей, возможно применение НМС со следующим сочетанием легирующих элементов С — 0,17%, Сг — Мп — М обеспечивает устойчивость аустенита в нормальной области от 1 часа при содержание N11% и 8 часов при содержание № 2,5%). Установлено, что применение системы легирования Сг — Мп — № - Мо, приводит к увеличению устойчивости аустенита до 8 часов в нормальной области и отсутствию бейнитного превращения при повышении содержании углерода (до 0,24%). Доказана возможность достижения высокой устойчивость аустенита без введения в сталь сильных карбидообразующих элементов V, №>, Ть.
7. На основании комплексного исследования рекомендована для использования сталь 24Х2Г2НМ0,5, в которой после аустенитизации и охлаждения на воздухе достигается предел прочности 1550 МПа, в сочетании с высокими характеристиками вязкости и пластичности. Применение этой стали позволяет унифицировать процесс термоупрочнения и заменить несколько марок сталей одной. При охлаждении на спокойном воздухе, а следовательно обеспечивается экологическая чистота технологического процесса, поскольку исключены вредные закалочные среды, такие как минеральные масла, техническая вода, синтетические жидкости.
8. Применение НМС 24Х2Г2НМ взамен среднеуглеродистых сталей 40ХН2МА, 38ХНЭМФА, легированных дефицитным никелем, для детали винтового забойного двигателя «вал карданный» позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики (ресурс), повысить технологичность и конкурентоспособность продукции. В результате проведенных испытаний двигателей с карданными валами из НМС 24Х2Г2НМ полностью выдержали ресурсные испытания, отказа по причине использования экспериментальных «валов карданных» не произошло. Расчет экономической эффективности внедрения НМС и разработанных технологий термического упрочнения в условиях производства ООО «Фирма «Радиус-Сервис», показал возможность сокращения производственных и эксплуатационных расходов на сумму, превышающую 3,2 млн руб. в год.
Список литературы
- Изотов В.И. Структура закаленной конструкционной стали. Состояние перегрева // Физика металлов и металловедение. 1975. — Вып 4. — С. 801−814.
- Голикова В.В., Добриков A.A., Изотов В. И. Кинетика, внутренняя структура и поверхностный рельеф реечного мартенсита // Физика металлов и металловедение. 1973.- Том 36.- С. 1079
- Козлов Э.В., Попова H.A., Кабанина О. В., Климашин С. И., Громов В. Е. Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. — 177 с.
- Блантер М.Е. Теория термической обработки. М.: Металлургия, 1984. -328 с.
- Клейнер JI.M., Шацов A.A. Новые конструкционные материалы: низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали. Прикладное металловедение Пермь: Перм. гос. техн. ун-та, — 2004.-142с.
- Коган Л.И., Клейнер Л. М., Энтин Р. И. Особенности превращений аустенита в малоуглеродистых легированных сталях // Физика металлов и металловедение. 1976.-Т. 41.-№ 1.-С. 118−124.
- Клейнер Л.М., Энтин Р. И., Коган Л. И. Низкоуглеродистая свариваемая мартенсиная сталь 07X3ГНМЮ // Черная металлургия. 1987. — № 10. -145−159.
- Клейнер JI.M., Поспелов Н. Г. Новая низкоуглеродистая высокопрочная сталь 07ХЗГНМ для ответственных сварных конструкций // Сварочное производство. 1979. — № 6. — С. 29−31.
- Энтин Р.И., Коган Л. И., Одесский П. Д., Клейнер JI.M., Толмачева Н. В. Прочностные свойства низкоуглеродистой мартенситной стали 07X3ГНМ // Известия АН СССР. Металлы. 1982. — № 4, — С, 86−90.
- Перкас М.Д., Кардонский В. М. Высокопрочные мартенситно-стареющие стали. М.: Металлургия, 1970. — 224 с.
- Курдюмов Г. В. Металловедение и термическая обработка металлов. -1960. -№ 10.-С. 22.
- Курдюмов Г. В., Перкас М. Д. Металловедение и термическая обработка металлов. 1961. — № 9. — С. 33.
- Саррак В.И., Суворова С. О. Взаимодействие углерода с дефектами в мартенсите // Физика металлов и металловедение. 1968. — Т. 26. — С.147−156.
- Портер Л.Ф., Дабковски Д. С. Регулирование размера зерна путем термоциклирования // В кн. Сверхмелкое зерно в металлах: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1973. С. 135−164.
- Grange R.A. Strengthening steel by austenite grain refinement // Trans. Quart. ASM. 1966. — V. 59. — P. 26 — 47.
- Заяц Л.Ц., Панов Д. О., Закирова М. Г. Структурная наследственность и перекристаллизация при «быстрой» аустенитизации системно-легированных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. — № 10. — С. 18−23.
- Иванов Ю.Ф. Влияние степени легированности материала на структуру пакетного мартенсита сплавов железа и сталей // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1995 — № ю. — С. 52−54.
- Floreen S // Trans. Vet. Soc. AIME. 1964. — v.230. — N 4. — p. 842.
- Штремель M.A. Прочность сплавов: Часть II. Деформация. M.: МИСИС, 1997.-527 с.
- Еднерал А.Ф., Изотов В. И., Клейнер JIM., Коган Л. И., Колонцов В. Ю., Смиренская H.A., Энтин Р. И. Низкоуглеролистые мартенситные стали // Проблемы металловедения и физики металлов. 1972. — С. 123−134.
- Сагарадзе В.В., Уваров А. И. Упрочнение аустенитных сталей. М.: Наука, 1989. — 270 с.
- Швецов В.В., Симонов Ю. Н., Клейнер JIM. Структура и механические свойства мартенситно-стареющей и низкоуглеродистой мартенситной стали // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. — № 1.-С. 32−35.
- Гуляев А.П. Термическая обработка стали. М.: МАШГИЗ, 1960. — 496 с.
- Курдюмов Г. В., Утевский JI.M., Энтин Р. И. Превращения в железе и стали. М.: «Наука», 1977. — 236 с.
- Marder A.R., Krauss G. Trans. ASM. 1969. — № 62. — P. 957.
- Счастливцев B.M. Структурные особенности мартенсита в конструкционных сталях // Физика металлов и металловедение. 1972. -Т. 33.-№ 2.-С. 326−334.
- Apple G.A., Caron R.N., Krauss G. Met. Trans. 1974. — № 5. — С. 593.
- Изотов В.И. Морфология и кристаллогеометрия реечного (массивного) мартенсита // Физика металлов и металловедение. 1972. — Т. 34. — С. 332−336.
- Курдюмов Г. В., Максимова О. П. Проблемы металловедения и физики металлов. — М.: Металлургиздат, 1958. -№ 5. С. 13.
- Курдюмов Г. В. Явление закалки и отпуска стали. М.: Металлургиздат, 1960. — 64 с.
- Олынанецкий В.Е., Снежной В. Л. О физической трактовке мартенситной точки // Физика металлов и металловедение. 1973 — С. 894−896.
- Морозов О.П. О кинетической аномалии изотермического превращения аустенита вблизи мартенситной точки // Изв. АН СССР. Металлы. 1985. -№ 6.-С. 91−95.
- Соколов К.Н., Энтин Р. И., Хлестов В. М. Влияние пластической деформации на кинетику изотермического превращения аустенита // Металловедение и термическая обработка металлов. 1973. — № 1. — С. 11−16.
- Бернштейн М.Л., Займовский В. А., Капуткина Л. М. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983. — 480 с.
- Новиков И.И. Теория термической обработки металлов: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. — 480 с.
- Пашков П.О., Брагухина В. А. Металловедение. Л.: Судпромгиз, 1957. -№ 2.-С. 158- 174.
- Штейнберг М.М., Филатов В. И., Т.С. Шилкова и др. Влияние высокотемпературной пластической деформации на кинетику распада переохлажденного аустенита // Изв. вузов. Черная металлургия. 1973. -№ 10.-С. 117−119.
- Штремель М. А и др. Строение и прочность пакетного мартенсита // Металловедение и термическая обработка металлов. 1999. — № 4. — С. 10−15.
- Коган Л.И., Энтин Р. И. Кинетика полиморфного превращения железа // Докл. АН СССР. 1950. — Вып. 73. — С. 1173−1176.
- Могутнов Б.М., Саррак В. И., Суворова С. О. Взаимодействие атомов углерода с дефектами в мартенсите // Несовершенства кристаллическогостроения и мартенситные превращения: Сб. науч. тр. М.: Наука, 1972. С. 80−96.
- Морозов О.П., Счастливцев В. М., Яковлева И. Л. Верхний и нижний бейнит в углеродистой эвтектоидной стали // Физика металлов и металловедение. 1998. — Т. — №. — С. 150−159.
- Энтин Р.И., Клейнер Л. И., Коган ЛИ. и др. Низкоуглеродистые мартенситные стали // Изв. АН СССР. Металлы. 1979. — № 3 — С. 114 120.
- Хлестов В.М., Энтин Р. И. Повышение бейнитной прокаливаемости стали при термомеханической обработке // Докл. АН СССР. 1972. — Т. 207. -С. 1101−1104.
- Хлестов В.М. Влияние пластической деформации на кинетику изотермического превращения аустенита // Физика металлов и металловедение. 1972. — Т. 33. — № 4. — С. 873−876.
- Дубов В.А. Стабилизация аустенита по отношению к бейнитному превращению, вызванная пластической деформацией // Физика металлов и металловедение. -. 1972. Т. 34. — Вып. 2. — С. 415−417.
- Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир, 1967. — 310 с.
- Greninger А. Trans. ASM. — 1942. — vol. 30.- № 1. — P. 1−27.
- Мирзаев Д.А., Штейнберг М. М., Пономарева Т. Н., Счастливцев В. М. -Физика металлов и металловедение. 1979. — Т. 47. — вып. 1. — С. 125 135- вып. 5. — С. 985−992.
- Садовский В.Д., Фокина Е. А. Остаточный аустенит в закаленной стали. -М.: Наука, 1986. с. 105.
- Борисов В.Т., Голиков В. М., Любов Б. Я. Об определении коэффициентов диффузии в объеме и по границам зерен металлов // Изв. АН СССР. ОТН. 1956. — № Ю. — С. 37−47.
- Голиков В.М., Коган Л. И., Новиков Б. А., Энтин Р. И. О связи кинетики гамма-альфа превращения с характеристиками самодиффузии // Физика металлов и металловедение. 1978. — № 46. — вып. 5. — С. 873−876.
- Клейнер Л.М., Пиликина Л. Д., Толчина И. В. Теоретические основы, разработка и внедрение низкоуглеродистых мартенситных сталей // Современные достижения в области металловедения. 1985. — С. 18−23.
- Коган Л.И., Клейнер Л. М., Энтин Р. И. Особенности превращения аустенита в малоуглеродистых легированных сталях // Физика металлов и металловедение. 1976. -Т. 41. — Вып. 1. — С. 118−124.
- Клейнер Л.М., Толчина И. В., Шацов A.A., Пиликина Л. Д., Энтин Р. И. Высокопрочная свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью. Патент № 2 314 361. Бюл.№ 1, 10.01.2008, Сталь, Патент № 1 790 622 199
- Попов A.A., Попова Л. Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. М.: Металлургия, 1965.-495 с.
- Энтин Р.И. Превращение аустенита в стали. М.: Металлургиздат, 1960. — 252 с.
- Могутнов Б.М., Шварцман Л. А., Томилин И. А. Термодинамика железоуглеродистых сплавов. М.: Металлургия, 1972. — 328 с.
- Штремель М.А. Прочность сплавов: ч. 1. Дефекты решетки. 2-е изд. М.: МИСиС, 1999. — 384 с.
- Металловедение и термическая обработка стали. / Справочник. Под редакцией М. Л. Бернштейна и А. Г. Рахштадта. Т. 1. Методы испытаний и исследований. — М.: Металлургия, — 1983. — 352 с.
- Долгий А. «Мышь»: что внутри и чем питается? // Радио. 1996. — № 9. -С. 28−30.
- Апаев Б.А. Фазовый магнитный анализ сплавов. М.: Металлургия, 1973.-280 с.
- Клейнер JI.M., Ларинин Д. М., Спивак Л. В., Шацов A.A. Фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях // Физика металлов и металловедение. 2009. — № 2. — С. 161−168.
- Клейнер Л.М., Спивак Л. В., Шацов A.A., Закирова М. Г., Ларинин Д. М. Фазовые превращения в сплаве 07ХЗГНМ // Вестник пермского университета. Физика. 2009. — № 1. — С. 100−103.
- Голиков В.М., Новиков Б. А., Коган Л. И., Энтин Р. И. Подавление бейнитного превращения в сталях // Физика металлов и металловедение. 1980. — Т 49. — № 3. — С. 665−667.