Главная / Теория термической обработки металлов / Химико-термическая и термомеханическая обработки / Термомеханическая обработка / Термомеханическая обработка сталей, закаливаемых на мартенсит

Термомеханическая обработка сталей, закаливаемых на мартенсит

Процессы ТМО сталей начали интенсивно изучать с середины 50-х годов в связи с изысканием новых путей повышения конструктивной прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)

При НТМО переохлажденный аустенит деформируется в области его повышенной устойчивости, но обязательно ниже температуры начала рекристаллизации и затем (превращается в мартенсит. После этого проводят низкий отпуск (на рисунке не показан).


Схема обработки легированной стали

Схема обработки легированной стали

Схема высокотемпературной (BTMO) и низкотемпературной (НТМО)
термомеханической обработки легированной стали,
закаливаемой на мартенсит.


Сильное упрочнение в результате пластической деформации переохлажденного аустенита с последующей закалкой с температуры деформирования было открыто американскими исследователями Лидсом и Ван Цайленом в 1954 г. Этот процесс, названный аусформингом, позволил повысить предел прочности конструкционных легированных сталей до 280 — 330 кгс/мм2 при 6 = 57%.

Показатели пластичности и ударной вязкости получались не ниже, а в некоторых случаях даже выше, чем после обычной термообработки, обеспечивающей σв = 1180 / 220 кгс/мм3. Понятно, что получение «сверхпрочности» сталей методом аусформинга вызвало громадный Интерес. 

Причина упрочнения стали при НТМО — наследование мартенситом дислокационной структуры деформированного аустенита.

Холодной деформацией нельзя сильно упрочнить сталь с мартенситной структурой, так как мартенсит, содержащий углерод, хрупок и не поддается большим обжатиям. Аустенит же при температурах ниже температуры начала рекристаллизации можно деформировать с большими обжатиями. При такой деформации в аустените сильно возрастает общая плотность дислокаций, образуются плотные сплетения дислокаций и ячеистая структура.

При мартенситном превращении соседи любого атома в аустените остаются соседями этого же атома в мартенсите. Поэтому дислокации при γ → α-превращении по мартенситному механизму не исчезают, а «передаются» от исходной фазы к новой, т. е. мартенсит наследует субструктуру деформированного аустенита. Очень высокая плотность дислокаций в мартенсите, закрепленных атомами углерода и карбидными выделениями, обусловливает получение рекордных значений прочности после НТМО.

Измельченностью кристаллов мартенсита объясняется приемлемый уровень показателей пластичности стали, находящейся в высокопрочном состоянии.

НТМО практически применима только к легированным сталям, обладающим значительной устойчивостью переохлажденного аустенита.

Для получения рекордных значений предела прочности (до 330 кгс/мм2) легированные стали можно подвергать НТМО по схеме аустенитизация с нагревом выше АС3 переохлаждение аустенита до 600 — 400 °С — обработка давлением с обжатием до 90% — закалка на мартенсит отпуск при 100 — 200 °С.

Прирост прочностных свойств при НТМО зависит от степени и температуры деформации, температуры отпуска, содержания углерода и других факторов. С увеличением степени деформации упрочнение от НТМО непрерывно возрастает.


Зависимость механических свойств после НТМО стали

Зависимость механических свойств после НТМО стали

Зависимость механических свойств после НТМО стали 30ХНМА от температуры прокатки. Режим НТМО: аустенитизация при 1150 °С, подстуживанне, прокатка с обжатием на 50%, охлаждение в масле, отпуск при 200 °С, 4 ч (С. И. Сахин, О. Г. Соколов).


Влияние температуры прокатки при НТМО на свойства хромоникельмолибденовой стали показано на рисунке. Рост прочностных свойств стали при понижении температуры деформирования обусловлен усилением наклепа аустенита.

Снижение прочностных свойств в результате прокатки при 400 °C вызвано бейнитным превращением во время деформации. Так как немартенситные продукты превращения, образующиеся при НТМО, снижают прочность, то процесс следует вести таким образом, чтобы они не появлялись.

Необходимо учитывать, что обычная С-диаграмма не может дать точных количественных данных для установления температурно-временного режима деформирования при НТМО, так как под действием деформации распад аустенита ускоряется. Инкубационный период при деформировании переохлажденного аустенита может уменьшиться в несколько раз.

Оптимальные механические свойства после НТМО конструкционных сталей получаются при низкотемпературном отпуске (100 — 1200 °С). С повышением температуры отпуска упрочнение от НТМО постепенно теряется.

Наиболее высокие свойства в результате НТМО. достигаются на сталях с 0,4 — 0,5% С. При большем содержании углерода из-за охрупчивания значительно снижаются относительное удлинение и предел прочности.

Внедрение НТМО в производство существенно затрудняется необходимостью использования мощного оборудования для обработки давлением, так как для получения высокой прочности сталь должна подвергаться большим обжатиям (не менее 50%) при таких температурах, при которых сопротивление деформированию очень высокое.

Другой существенный недостаток НТМО
— невысокая сопротивляемость хрупкому разрушению сильно упрочненной стали. При повышении плотности дислокаций в мартенсите, вызывающем сильное упрочнение, сопротивление распространению трещины (важнейшая характеристика конструкционного материала) при НТМО не изменяется или даже снижается.

Учитывая необходимость использования мощного специализированного оборудования для деформирования стали и недостаточную для современных конструкций сопротивляемость хрупкому разрушению, вряд ли можно рассчитывать на широкое использование НТМО в промышленности.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков