Мартенситно-стареющие стали общего назначения.

Составы и свойства.

Наиболее распространенные составы мартенситно-стареющих сталей и их свойства (по литературным данным) приведены в (табл. 1) в соответствии с принятой классификацией по уровню прочности.

Как конструкционный материал общего назначения наилучшее сочетание прочности, пластичности и вязкости имеют стали, содержащие 17—19% Ni, 7—12% Со, 3—5% Мо, 0,2—1,6% Ti. Изменением содержания титана в этой системе можно варьировать прочность сталей в широких пределах (1400—2500 МПа). Наибольшее распространение в технике получила сталь типа Н18К9М5Т (ЭП-637).

Сталь Н18К9М5Т (ТУ 14-1-1531—75) содержит ≤0,03% С, 16,7—19,0% Ni, 8,5—9,5% Со, 4,6—5,5% Мо, 0,5—0,8% Ti, 0,l5% Al. В закаленном состоянии (закалка при 820 °С, охлаждение на воздухе) сталь имеет следующие свойства: σ_в=1000÷1100 МПа, σ_0,2=900÷1000 МПа; δ≥15%. После закалки и старения при 480—500 °С (3 ч) сталь имеет в среднем следующие механические свойства: σ_в=1900÷2100 МПа; σ_0,2=1800÷2000 МПа; δ=8÷10%; ψ=45÷55%; KCU=0,5÷0,7 МДж/м².

В связи с широким и разнообразным промышленным применением было детально изучено влияние режимов термической обработки на комплекс основных свойств стали Н18К9М5Т.

Перегрев стали Н18К9М5Т при горячей пластической деформации или термической обработке повышает ее чувствительность к трещине (табл. 2). Для измельчения верна перегретой стали рекомендовано применение перед основной закалкой (820 °С) трехкратной закалки на воздухе или в воде от 900—950 °С с выдержкой 1 ч.

Оценивая возможность использования стали в виде крупных поковок, прутков н листов толщиной более 25 мм, установили ее склонность к тепловому охрупчнванню при замедленном охлаждении от 1150—1200 °С или при ступенчатом охлаждении в интервале 900—700 °С, связанную с разнозерннстостью, но главным образом с образованием зернограничных выделений карбидов и карбонитридов титана. Для устранения явления теплового охрупчнвання предложен режим термической обработки, включающий закалку от 1150—1200 °С с охлаждением в воде (для растворения пограничных выделений) и последующую трехкратную закалку при 900—950 °С (для измельчения зерна) (табл. 3).

Применительно к стали Н18К9М5Т были опробованы различные комбинированные способы термической обработки, в том числе и термоцнклированне, для получения двухфазной (α + γ)-структуры. Путем стабилизации 18—30% аустенита (особенно если аустенит получен в результате применения термоциклической обработки могут быть существенно повышены пластичность, ударная вязкость и вязкость разрушения, сопротивление ударно-циклическому нагружению при незначительном снижении прочности стали (табл. 4).

Значительно влияет на свойства стали Н18К9М5Т и режим старения. Длительное (до 40—50 ч) старение при 425—450 °С обеспечивает более высокие прочностные свойства стали, чем старение при 480—500 °С при практически одинаковых показателях пластичности. С помощью комбинированного старения (500 °С, 3 ч + 425 °С), сократив время выдержки вдвое, можно получить ту же прочность стали, что и при длительном низкотемпературном старении. Отличительной особенностью стали Н18К9М5Т является то, что пластичность, вязкость разрушения, работа ударного изгиба образцов с трещиной изменяются при возрастании упрочнения практически независимо от режима старения.

Проведена оценка работоспособности стали в различных условиях эксплуатации. Параметры, характеризующие конструктивную прочность стали Н18К9М5Т, свидетельствуют о высоком сопротивлении развитию трещины. После полного цикла упрочняющей обработки отношение временного сопротивления образцов с надрезом к временному сопротивлению гладких образцов (σ^н_в⁄σ_в) существенно больше 1 (1,4—1,6); ударная вязкость образцов с заранее нанесенной трещиной также весьма высока (0,15—0,25 МДж/м²). Вязкость разрушения К_1с хотя и снижается по мере роста предела текучести, однако во всех случаях превышает уровень, достигаемый в углеродсодержащих1 легированных сталях эквивалентной прочности (табл. 5).

Меньшая чувствительность стали Н18К9М5Т к надрезу проявляется и в условиях усталостного нагружения. По сопротивлению усталости сталь соответствует углеродсодержащим конструкционным сталям равной прочности (рис. 1), а при ударно-усталостном нагружении ее стойкость в 2—4 раза выше.

При определенных режимах термической обработки благодаря стабилизации некоторого количества аустенита наряду с высокими упругими характеристиками сталь Н18К9М5Т обладает также и элинварнымн свойствами, т. е. малым изменением модуля упругости в климатическом интервале температур (табл. 6).

Оптимальное сочетание элниварных и механических свойств получено на стали Н21К9М5Т с повышенным содержанием никеля (после закалки от 850—900 °С и старения при 575 °С, 3 ч ТКЧ=-30×10⁶ 1⁄°С, σ_0,005=1100÷1150 МПа).

Сталь Н18К9М5Т сохраняет свою работоспособность в широком интервале температур: от криогенных до +400 °С (рис. 2). Понижение температуры испытания до —196 °С увеличивает временное сопротивление от 2000 до 2400 МПа при незначительном уменьшении пластичности и вязкости (KCU=0,3÷0,4 МДж/м², δ=7÷9%, ψ=40÷45%). При нагреве пропорционально уменьшаются прочностные характеристики, снижается предел упругости (от 1450 МПа при 20 °С до 1210, 930 и 755 МПа соответственно при 200, 300, 400 °С); тем не менее и при 300 °С сталь отличают достаточно высокие свойства и хорошее сопротивление ползучести.

В (табл. 7) приведены некоторые физико-механические свойства стали Н18К9М5Т, среди которых особо важное значение имеет малое изменение размеров при полном цикле упрочняющей термической обработки (рис. 3).