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.
Обозначение стали | Средняя концентрация легирующих элементов (по массе), % | Механические свойства | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
σв | σ0,2 | δ | ψ | KCU, МДж/м2 | |||
МПа | % | ||||||
σв=1500÷2000 МПа | |||||||
Н18КЗМ4Т | I8Ni;3,2Co; 4,2Мо; 0,26 Ti | 2550 | 2500 | 9 | 49 | 0,46 | |
Н18К7М5Т | 18 Ni; 7 Co; 5,5 Mo; 0,5 Ti | 1800 | 1700 | 8 | 50 | 0,5 | |
Н18К8МЗТ | 18 Ni; 8 Co; 3 Mo; 0,2 Ti | 2450 | 1400 | 15 | 65 | 0,8 | |
Н28К8М5Т | 18 Ni; 8 Co; 5 Mo; 0,5 Ti | 1850 | 1800 | 12 | 60 | 0,5 | |
Н18К9М5Т | 18 Ni; 9 Co; 5 Mo; 0,5 Ti | 1900 | 1830 | 8 | 50 | 0,6 | |
Н18К9М5Т | 18. Ni; 9 Co; 5 Mo; 0,8 Ti | 2100 | 190fr | 8 | 50 | 0,5 | |
Н18К9М5Т | 18 Ni; 9 Co; 5 Mo; 1,2 Ti | 2180 | 1960 | 8 | 45 | 0,6 | |
Н15К9М5ТЮ | 15 Ni; 9 Co; 5 Mo; 0,7 Ti; 0,9 Al | 1960 | - | 6 | 23 | - | |
Н16К4М5Т2Ю | 16 Ni; 4,5Co;4,5Mo; 2 Ti; 0,3 Al | 205 | 1980 | 7,5 | 40 | 0,2 | |
Н12К8МЗГ2 | 12 Ni; 8 Co; 3 Mo; 2Mn | 1500 | 2480 | 9,6 | 57 | 0.6 | |
Н12К8М4Г2 | 12 Ni; 8 Co; 4 Mo; 2,3 Mn | 1700 | 1680 | 7 | 50 | 0,4 | |
H18Ф6М3 | 18 Ni; 6 V; 3 Mo | 1650 | 1600 | 10 | 60 | 0.7 | |
Н18Ф6М6 | 18 Ni; 6 V; 6 Mo | 1940 | 1880 | 10 | 53 | 0,45 | |
σв=2000÷2500 МПа | |||||||
Н16КПМЗТ2 | 16 Ni; 11 Co; 3 Mo; 1,6 Ti | 2136 | 2070 | 21 | 64 | - | |
H16K11M3T2 | 16 Ni; 11 Co; 3 Mo; | 2250 | 2220 | 12 | 60 | - | |
Н17К11М4Т2Ю | 1,9 Ti 17 Ni; 11 Co; 4,5 Mo; l,8Ti; 1 Al | 2570 | 2550 | 8 | 46 | 0,25 | |
H18K12M3T2 | 18 Ni; 12 Co; 3 Mo; 1,4 Ti | 2400 | 2350 | 9 | 50 | 0,2 | |
H17K12M5T | 17 Ni; 12 Co; 5 Mo; 1 Ti | 2050 | 2000 | 8 | 45 | 0,3 | |
H18K12M4T2 | 18 Ni; 12 Co; 4 Mo; 2Ti | 2450 | 2350 | 7 | 35 | - | |
H18K14M5T | 18 Ni; 14 Co; 5 Mo; 1,5 Ti | 1 2400 | - | 9 | 35 | - | |
H18K4M7TC | 18Ni; 4,5Co;7,7Mo; 0,6 Ti; 0,7 Si | 2180 | 2060 | 7 | 34 | 0,35 | |
Н17К10М2В10Т | 17 Ni; lOCo; l,5Mo; 10 W; 0,7 Ti | 2350 | 2300 | 8,5 | 48 | 0,3 | |
Н22К12М10ТЮ | 12 Ni; 22 Со; 10 Мо; 0,8 Ti; 1 Al | 3000 | 2950 | 2 | 4 | - | |
Н12К15М10 | 12 Ni; 15 Со; 10 Мо | 2500 | 2400 | 6 | 30 | 0,2 | |
Н13К15М10 | 13 Ni; 15 Со; 10 Мо | 2600 | 2500 | 6 | 30 | 0,2 | |
Н13К16М10 | 13 Ж; 16 Со; И Мо | 2800 | 2740 | 8 | 42 | - | |
H12K16MI2 | 12 Ni; 16 Со; 12 Мо | 2800 | 2740 | 5 | 40 | 0,2 | |
Н8К18М14 | 8Ni; 18 Со; 14 Мо | 3500 | 3400 | 1 | 3 | - | |
Н12К12М7В7 | 12 Ni; 12CoJ 7,8 Мо; 6,7 W | 2600 | - | 6 | 30 | 0,25 | |
HI6KI5B9M2 | 16 Ni; 15 Со; 9 W; 2 Мо | 2600 | 2400 | 6 | 30 | 0,2 | |
1 Свойства сталей после старения при температурах 480—520 °С. 2 Освоенные промышленностью марки мартенснтно-стареющнх сталей поставляются по техническим условиям. |
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: σв=1000÷1100 МПа, σ0,2=900÷1000 МПа; δ≥15%. После закалки и старения при 480—500 °С (3 ч) сталь имеет в среднем следующие механические свойства: σв=1900÷2100 МПа; σ0,2=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.
Заготовка для изготовления образца | Термическая обработка | Номер зерна | оп образцов, МПа | |
---|---|---|---|---|
гладких | с трещиной | |||
Горячекатаный лист (толщиной 2,5 мм) | Закалка при 820 °С, 1 ч + старение при 450 °С, 3 ч | 8 | 1940 | 1940 |
Перегретый пруток (1100 °С,2 ч), Ø130 мм | 1—3 | 1860—1950 | 1500—1720 | |
Закалка 3 раза при 920 °С, 1 ч, +820 °С, 1 ч, +450 °С, 3 ч | 5—6 | 1930 | 1900—1990 |
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).
Термическая обработка | Направление волокна | σв | σ0,2 | δ5 | ψ | KCU, МДж/м2 |
---|---|---|---|---|---|---|
МПа | % | |||||
Закалка 820 °С, 1 ч. + старение 480 °С, 3 ч. | Продольное | 1850—2200 | 1800—2100 | 6—8 | 25—50 | - |
Поперечное | 1850—2200 | 1800—2100 | 2—4 | 5—30 | 0,07—0,2 | |
1200 °С, 2 ч, вода + 3 раза 970 °С, 1 ч, вода + 520 °С, 3 ч | Продольное | 1950—2100 | 1850—2050 | 6—10 | 40—58 | — |
Поперечное | 1950—2100 | 1850—2050 | 5—8 | 25—50 | 0,2—0,25 |
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).
Вариант | Термическая обработка | Количество аустенита, % | σв | σ0,2 | δ | ψ | KCU, МДж/м2 | К1С МПа×м1/2 | Число циклов до разрушения при напряжении σmах, МПа | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
МПа | % | 1100 | 1650 | 2600 | |||||||
Обычная термическая обработка | Закалка 820 °С, старение 490 °С, 3 ч | 0 | 2100 | 2050 | 8 | 57 | 0,4 | 97 | 48000 | 20000 | 4600 |
ТЦО | 820 °С, 5 мин (дважды), старение 490°С, 3 ч | 18 | 1950 | 1930 | 10,8 | 63 | 0,9 | 143 | 60000 | 23000 | 4400 |
Нагрев в двухфазной области | Закалка 820 °С, старение 550 °С, 3 ч | 28 | 1800 | 1750 | 8,7 | 60 | 0.4 | 115 | 33000 | 13000 | 3740 |
Закалка 820 °С, старение 600 °С, 30 мин | 19 | 1790 | 1730 | 10,7 | 58 | 0.6 | 128 | 38000 | 13600 | 3700 | |
Закалка 820 °С, старение 650°С, 5 мин | 18 | 1810 | 1750 | 10 | 63 | 0.7 | 137 | 43000 | 17600 | 4100 | |
Тепловая стабилизация | Нагрев при 820 °С, изотермическая выдержка при П0°С, 5 мин, старение при 490°С, 3 ч | 30 | 1860 | 1800 | 10 | 60 | 0,6 | 113 | 50000 | 12000 | 250 |
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 (σнв⁄σв) 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 К1с хотя и снижается по мере роста предела текучести, однако во всех случаях превышает уровень, достигаемый в углеродсодержащих1 легированных сталях эквивалентной прочности (табл. 5).
Ti, % | σ0,2, МПа | К1с, МПа×м1/2 |
---|---|---|
0,2 | 1400 | 115—180 |
0,4 | 1700 | 103—170 |
0,8 | 1950 | 93—155 |
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.

Как и многим другим мартенситно-стареющим сталям, стали Н18К9М5Т свойственно высокое сопротивление развитию малой пластической деформации. Для достижении максимального предела упругости (σ0,002=1275÷1370 МПа) рекомендуют старение при 450 °С, 4 ч. Ступенчатое старение по режиму 480 °С, 30 мин + 425 °С, 8 ч позволяет повысить предел упругости σ0,002 до 1575 МПа.
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).
Температура старения, °С | ТКМУ | ТКЧ | γ-фаза, % | σ0,005 | σ0,02 | σв | δ | ψ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
МПа | % | |||||||
450 | - | —175 | 0 | 1600 | 1800 | 1900 | 10 | 62 |
480 | —250 | —160 | 0 | 1700 | 2100 | 2200 | 8 | 58 |
530 | —225 | —140 | 15 | 1300 | 2000 | 2080 | 10 | 57 |
600 | — | -58 | 40 | 980 | 1750 | 1850 | 12 | 55 |
630 | —65 | —30 | 50 | 850 | 1650 | 1750 | 14 | 64 |
650 | - | —80 | 40 | - | - | - | - | - |
Примечание. ТКМУ — температурный коэффициент модуля упругости; ТКЧ — температурный коэффициент частоты. |
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, σ0,005=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.

Свойства | Значения |
---|---|
Удельное электрическое сопротивление ρ1, мкОм×м: после закалки после старения при 480°С, 3 ч |
0,60—0,51 0,38—0,39 |
Коэрцитивная сила, А/м: после закалки после старения при 480 °С, 3 ч |
1750—1910 2150 |
Модуль упругости E×10-4 при 20 °С, МПа | 19 |
Модуль сдвига G×10-4, МПа | 7—7,2 |
Коэффициент Пуассона μ | 0,3 |
Плотность, т/м3 | 8 |
Коэффициент линейного расширения α×106, 1⁄°С (20—480 °С) | 11,2 |
Изменение длины ΔL/L×100 после старения при 480—500°С, % | —0,08 |
Теплопроводность λ, Вт/(м×°С) (100—400 °С) | 25,5 |
Удельная теплоемкость с, кДж/(кг×°С) (100—400 °С) | 0,480 |
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).
