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 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 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