Влияние холодной пластической деформации на свойства пружинной стали с мартенситной структурой » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние холодной пластической деформации на свойства пружинной стали с мартенситной структурой

10.06.2021

Процесс деформационного упрочнения стали с мартенситной структурой, или марформинг, резко повышает пределы прочности и особенно текучести стали: до 2740—2990 Мн/м2 (280—300 кГ/мм2) и до 2550—2740 Мн/м2 (260—280 кГ/мм2) соответственно, при этом сохраняется известная пластичность, отмечается и повышенное сопротивление хрупкому разрушению. Существенно, что одновременно с прочностными свойствами при статическом одноосном растяжении возрастает прочность и при двухосном растяжении, представляющая собой меру склонности стали к хрупкому разупрочнению. Таким образом, в результате марформинга повышается комплекс прочностных свойств и поэтому указанный процесс можно применять для обработки ответственных деталей. Однако вопрос об использовании марформинга для упрочнения пружин полностью еще не решен. Это объясняется недостаточной изученностью воздействия пластической деформации именно на те свойства стали с мартенситной структурой, которые определяют основные характеристики пружин.

Как следует из многих экспериментальных исследований, проведенных в условиях, исключающих диффузию атомов углерода и других примесей в процессе закалки и последующих испытаний, «свежий» мартенсит закаленной стали отличается весьма низким сопротивлением малым пластическим деформациям при сниженной твердости и в этом смысле является «мягким».

Если во время закалки, как это обычно бывает в практических условиях, успевают пройти процессы диффузионного перераспределения атомов углерода, приводящие к образованию сегрегаций и даже частиц карбидов, то и тогда сопротивление малым пластическим деформациям, хотя и возрастает, но остается на достаточно низком уровне. Эта особенность свойств свежезакаленной стали связана с тем, что системы дислокаций, возникшие при мартенситном превращении и создающие сильные поля макро-и микронапряжений, слабо закреплены, а потому неустойчивы и могут перестраиваться — самопроизвольно еще до распада мартенсита в результате релаксации внутренних напряжений и тем более под воздействием даже весьма небольших внешних усилий. По-видимому, во время закалки даже в условиях, когда протекают релаксация внутренних напряжений и диффузионные процессы перераспределения атомов углерода, последние все же не приводят к полному насыщению сегрегаций на дислокациях или на границах двойников. Поэтому сопротивление микропластическим деформациям (еост = 10в-4-10в-6) в этом случае, по данным, весьма низкое и не зависит от содержания углерода (рис. 33, 34) и легирующих элементов, если при механических испытаниях при низких температурах исключалась диффузия этих атомов к дислокациям. Однако, как показано в работе, очень низкое сопротивление микропластическим деформациям закаленной стали, испытанной в указанных условиях, может быть в определенной степени результатом и того, что остаточная деформация, возникающая при нагружении, является следствием не только движения дислокаций, но и изотермического превращения аустенита в мартенсит.

По расчетам она составляет 0,09% на 1% превращенного аустенита, что согласуется с прямыми измерениями. Поэтому даже при малых содержаниях остаточного аустенита его распад под нагрузкой может давать большой вклад в микропластическую деформацию.
Влияние холодной пластической деформации на свойства пружинной стали с мартенситной структурой

Представленную авторами зависимость сопротивления малым пластическим деформациям (еост = 10в-4) от содержания углерода (рис. 33) нельзя считать обоснованной также и потому, что хотя субструктура мартенсита исследованных сталей с разным содержанием углерода и переменным содержанием никеля оставалась одинаковой (мартенситная точка для всех сталей была равной —35° С), количество остаточного аустенита в этих сталях было разным и степень его превращения под действием приложенных напряжений также могла быть различной. Поэтому невозможно оценить вклад, вносимый только движением дислокаций в общую деформацию этих сталей с разным содержанием углерода, а именно этим и определяется величина сопротивления микропластическим деформациям.

Исходя из этих соображений, на основании данных, приведенных на рис. 33 и 34, нельзя количественно оценить действительное сопротивление «свежего» мартенсита развитию микропластических деформаций. Однако эта характеристика свежезакаленного мартенсита, действительно, должна иметь низкое значение, поскольку при мартенситном превращении возникает большое число слабо закрепленных дислокаций.

Таким образом, с точки зрения сопротивления малым пластическим деформациям свежий мартенсит, действительно, является «мягким», как это и предполагал С.Т. Кишкин. Это положение подтверждается и данными работы, в которой показано, что неотпущенный мартенсит, охлажденный до -65° С, в процессе испытаний при этой же температуре (без отогрева), т. е. в условиях практически исключающих старение, обнаруживает повышенную пластичность, малую склонность к образованию микротрещин при высоком сопротивлении разрушению.

В процессе дальнейшей выдержки закаленной стали при нормальных температурах, т. е. при старении, происходит насыщение сегрегаций на дефектах строения атомами углерода и поэтому повышается сопротивление малым и микропластическим деформациям (рис. 33, 34). По данным, величина о0,0002, полученная при —186° С, после старения свежезакаленного мартенсита при 20° С увеличивается в четыре раза. Согласно данным Ю.Г. Андреева, М.А. Штремеля и И.Н. Кидина, предел упругости (т0,002) стали У8 в результате выдержки при 20° С в течение 16 суток возрастает на 15%, a т0,02 более, чем вдвое. Это различие в степени прироста т0,002 и т0,02 является результатом того, что при старении резко увеличивается коэффициент упрочнения (рис. 35), особенно в стали с повышенным содержанием углерода. Чем выше содержание углерода в стали, тем меньше расстояние между внедренными атомами в решетке мартенсита и дефектами и поэтому быстрее и эффективнее происходит процесс закрепления дислокаций и границ двойников, повышающий сопротивление развитию микропластических деформаций (рис. 36). Однако абсолютные значения предела упругости даже после естественного старения все же остаются сравнительно невысокими. Поэтому сталь со структурой «свежего» мартенсита или после его естественного старения нельзя без дальнейшей обработки использовать в качестве материала для упругих элементов, тем более, что из-за нестабильности структуры в ней будут интенсивно протекать релаксационные процессы.


Для стали со структурой мартенсита характерно быстрое и эффективное деформационное упрочнение, которое и обеспечивает высокие значения пределов текучести и прочности. Высокие значения прочностных свойств стали с мартенситной структурой достигаются в результате деформации с весьма небольшим обжатием (обычно до 5%), тогда как упрочнение стали со структурой нижнего бейнита или сорбита до такого же уровня свойств требует значительно больших обжатий.

Упрочнение стали с мартенситной структурой в результате деформации тем больше, чем выше содержание углерода и легирующих элементов. Влияние содержания углерода на деформационное упрочнение мартенсита хорошо иллюстрируется данными работы (рис. 33 и 36). Испытания проводились при деформациях — 10в-3—10в-2, значительно превышающих те, которые возникают вследствие превращения остаточного аустенита в мартенсит и искажают истинную величину сопротивления микропластическим деформациям (~10в-6). Поэтому при деформациях ~10в-33—10-2 основное значение, несомненно, имеет движение дислокаций.

Механизмы влияния углерода на упрочнение мартенсита и пересыщенного феррита во многом сходны. Феррит после закалки при 725° С (до момента испытания при 25° С закаленные образцы выдерживались при ~80° С) характеризуется весьма слабой зависимостью напряжения течения [ростна24,1 Mн/м2 (2,46 кГ/мм2)] от увеличения содержания углерода в пределах от 0,004 до 0,02% при пластической деформации — 10в-6, но с ее ростом до 10в-3 (рис. 37) влияние углерода резко усиливается [рост напряжения 144 Mн/м2 (14,7 кГ/мм2)].

Однако зависимость, приведенную на рис. 37, следует рассматривать лишь как качественную характеристику влияния углерода на упрочнение, так как нельзя утверждать, что весь углерод в железе был в твердом растворе.

Данные рис. 37 свидетельствуют о том, что в случае свежезакаленного феррита, как и свежезакаленного мартенсита, углерод относительно слабо влияет на сопротивление микропластическим деформациям, т. е. на инициирование движения дислокаций, но резко повышает коэффициент упрочнения в связи с изменением субструктуры. В частности, субструктура феррита с увеличением содержания углерода под действием деформации изменяется от ячеистой до произвольного расположения дислокаций (после деформации 6%), поскольку углерод тормозит поперечное скольжение и размножение дислокаций.

Высокое деформационное упрочнение мартенсита объясняется тем, что дислокации, возникшие в процессе деформации от так называемых «затравочных», связываются в более устойчивые системы и эффективно тормозятся многочисленными внедренными атомами углерода и другими препятствиями — сегрегациями и частицами карбидов. При этом эффективная длина дислокационных петель по мере развития пластической деформации и роста плотности дислокаций непрерывно сокращается и тем быстрее, чем выше содержание углерода в стали. Поэтому и напряжения, необходимые для продвижения дислокаций, также непрерывно возрастают, что и проявляется в росте прочностных свойств.

Определенный вклад в деформационное упрочнение стали вносит процесс распада остаточного аустенита.

Как указывалось выше, деформация стали с мартенситной структурой в условиях, исключающих процессы старения (деформация и испытания при очень низких температурах), увеличивает сопротивление повышенным пластическим деформациям тем больше, чем выше концентрация углерода (рис. 33). Отсюда следует, что это увеличение прочностных свойств стали с мартенситной структурой в указанных условиях является следствием собственно деформационного упрочнения, в процессе которого формируется субструктура, зависящая от концентрации углерода в стали. Однако М.Е. Блантер считает, что влияние содержания углерода на рост упрочнения связано с более интенсивным развитием процессов старения, происходящих во время деформации и приводящих к образованию сегрегаций и выделению частиц карбидов.

Хотя деформационное старение действительно имеет место, но только один этот процесс, судя по результатам работы, не определяет высокой интенсивности деформационного упрочнения стали с мартенситной структурой. При этом не установлено, какой вклад в упрочнение вносит процесс разупорядочения мартенсита, который, как предполагается, происходит под действием пластической деформации.

Коэффициент деформационного упрочнения закаленной стали возрастает в результате естественного старения (рис. 38) и он тем больше, чем выше содержание углерода (рис. 39). Это повышение упрочнения проявляется уже в области малых пластических деформаций. Если сталь с мартенситной структурой подвергнуть очень небольшой пластической деформации, а затем провести старение, то коэффициент деформационного 700 упрочнения резко возрастает (см. рис. 38).

Характерным для стали с мартенситной структурой является высокая интенсивность деформационного упрочнения и поэтому для повышения прочностных свойств при сохранении известной пластичности применяют деформацию с небольшими степенями обжатия, обычно не превышающими нескольких процентов. При этом, а также и после дополнительного отпуска склонность стали к хрупкому разрушению не возрастает, что имеет важное практическое значение.

Именно на этой высокой склонности мартенсита закалки и мартенсита отпуска к деформационному упрочнению и основан процесс марформинг.

Изучение свойств сталей, подвернутых деформационному упрочнению после закалки и после дополнительного отпуска, показывает, что неотпущенный мартенсит упрочняется, если судить по значениям пределов прочности и текучести, больше, чем отпущенный, и притом тем сильнее, чем выше содержание углерода в стали.

Так, по данным, сталь, содержащая 0,38% С и 1,9% Cr, после закалки и деформации с обжатием 2,5% (I) и после закалки с последующим отпуском при 180° С, 1,5 ч и деформации на 2,5% (II) имела следующие свойства:

О влиянии содержания углерода на рост деформационного упрочнения стали с мартенситной структурой свидетельствуют данные той же работы. Так, в результате деформации с обжатием 2,5% закаленной и низкоотпущенной стали с 0,18% С и 1,7% Cr предел прочности растет на 145 Мн/м2 (15 кГ/мм2) и предел пропорциональности на 190 Мн/м2 (20 кГ/мм2); у стали с 0,67% С и 1,8% Cr в тех же условиях обработки эти свойства возрастают на 275 Мн/м2 (28 кГ/мм2) и на 490 Мн/м2 (50 кГ/мм2) соответственно, достигая ов = 2720 Мн/м2 (278 кГ/мм2) и опц = 2540 Мн/м2 (260 кГ/мм2). В то же время в отличие от углерода легирующие элементы — марганец, никель и хром в количестве до 3—5% не оказывают влияния на эффект деформационного упрочнения стали с 0,37% С (после закалки, низкого отпуска при 170—180° С).

В отличие от влияния указанных легирующих элементов кремний повышает эффект деформационного упрочнения закаленной стали. Пластичность легированной стали при этом изменяется с увеличением степени деформации примерно так же, как и углеродистой с тем же содержанием углерода. Наибольшие абсолютные значения пластичности отмечаются у никелевой стали, а наименьшие — у кремнистой, которая обнаруживает хрупкость после деформации волочением более, чем на 5%.

Упрочнение закаленной стали по сравнению с отпущенной тем больше, чем выше температура этого предварительного отпуска. Несмотря на большее упрочнение сталей со структурой «свежего» мартенсита их обычно не подвергают деформационному наклепу из-за высокой склонности к хрупкому разрушению и чаще после закалки производят низкий отпуск.

В стали со структурой мартенсита отпуска в процессе деформации, помимо тех изменений структуры и свойств, которые характерны для закаленной стали, может происходить растворение метастабильных и когерентно связанных карбидов с матрицей, а также выделение, и притом в больших количествах (правда, только при повышенных степенях деформации), новых частиц карбидов вследствие усиления распада пересыщенного твердого раствора.

При небольших деформациях стали со структурой мартенсита отпуска по указанным выше причинам (разблокировка имевшихся дислокаций и главным образом генерация новых) должен сильно снижаться предел упругости при сохранении высокой твердости, что и доказано в работе. Так, по данным этой работы, предел упругости (о0,005) стали 55ХГРЦ после закалки и отпуска при 300° С в результате деформации растяжением на 0,7—1% падает с 1180 Мн/м2 (120 кГ/мм2) до 635—685 Мн/м2 (65—70 кГ/мм2) (рис. 40). Эти значения о0,005 соответствуют практически тому же уровню, который свойствен мартенситу закалки — структуры, характеризующейся присутствием незаблокированных дислокаций.

Еще большее снижение предела упругости обнаружено А.И. Критской после небольшой пластической деформации при растяжении сталей 65Г и 70С2ХА. Так, у стали 70С2ХА после закалки и отпуска при 350° С, 1 ч предел упругости (о0,002) снизился в результате деформации на 0,3% с 1570 Мн/м2 (160 кГ/мм2) до 360 Мн/м2 (37 кГ/мм2). В стали 65Г после аналогичной предварительной термической обработки снижение предела упругости в результате деформации на 0,5% было еще больше: с 1390 Мн/м2 (142 кГ/мм2) до 275—294 Мн/м2 (28—30 кГ/мм2).

Интересно, что аналогичное сильное снижение предела упругости под действием небольшой дополнительной деформации наблюдалось на патентированной и холоднодеформированной высокоуглеродистой стали и на многих других сплавах — твердых растворах замещения, предварительно подвергнутых упрочняющей обработке — значительной пластической деформации и низкотемпературному отжигу.

Дополнительная деформация стали, закаленной на мартенсит, может приводить к снижению сопротивления не только малым, но даже и большим пластическим деформациям и, в частности, к уменьшению твердости. Так, в результате холодной прокатки с обжатием 5% стали (0,44% С и 27,56% Ni), предварительно закаленной на мартенсит, твердость снижалась с 380 до 340 HV. При больших обжатиях твердость такой стали возрастала, правда, не очень интенсивно.

Эффект разупрочнения объяснен этими авторами на основе результатов прямых электронномикроскопических наблюдений, Полагают, что двойники превращения аустенита в мартенсит частично раздвойниковываются в результате деформации, осуществляемой также двойникованием. Существенно, что двойники деформации образуются по тем же кристаллографическим плоскостям и с той же ориентацией, что и двойники превращения, но их величина намного больше (60 нм вместо 10). Под воздействием деформации число границ двойников, играющих роль препятствий, уменьшается, что и должно привести к разупрочнению.

Если после деформации стали со структурой мартенсита, закалки или отпуска произвести дополнительный отпуск, обычно при температуре не более высокой, чем первый, то произойдет дальнейшее, хотя и меньшее, чем в результате деформации, повышение пределов прочности и текучести при практически незначительном изменении пластичности. Существенно, что при этом не возрастает склонность к хрупкому разрушению, что, по мнению В.И. Саррака, объясняется протеканием одновременно со старением деформированного мартенсита, ведущим к росту хрупкости, процесса релаксации внутренних напряжений, действующего в противоположном направлении.

Характерным для свойств деформированной стали после дополнительного отпуска является особенно резкий рост пределов текучести и пропорциональности. При этом на диаграммах растяжения появляется зуб текучести и тогда предел текучести по величине почти достигает предела прочности. Важно указать, что последеформационный отпуск снижает пластичность, но тем в меньшей степени, чем меньше содержание углерода в стали и меньше степень предшествующей пластической деформации.

В процессе дополнительного (последеформационного) отпуска происходит перераспределение дефектов, созданных деформацией, и, кроме того, в зависимости от температуры этого отпуска протекают различные процессы закрепления дислокаций — образование сегрегаций, выделение карбидов. Предполагается, что последеформационный низкотемпературный отпуск не вызывает образования е-карбида, поскольку при этих температурах силы связи атомов углерода с дефектами строения больше, чем в молекуле этого карбида. При более высоком отпуске выделяются карбиды и притом более дисперсные, чем после обычной закалки и отпуска на равную температуру, вследствие увеличения числа зародышей.

Для пружинных сталей весьма важно, что в результате дополнительного отпуска резко повышается предел упругости, поскольку возникшие при деформировании или разблокированные ранее имевшиеся дислокации вновь сильно закрепляются. Так, предел упругости (о0,005) стали 55ХГРЦ (см. выше), равный после деформации 635—685 Мн/м2 (65—70 кГ/мм2), растет до 1570 Мн/м2 (160 кГ/мм2), превосходя максимальные значения, достигаемые после обычной термической обработки —закалки и отпуска при 400° С (см. рис. 40). Существенно, что после марформинга возрастает релаксационная стойкость (рис. 41), резко уменьшается упругий гистерезис и упругое последействие стальных манометрических пружин, а также растет сопротивление ползучести, что имеет важное практическое значение.

Для обычных конструкционных сталей рекомендуется первый отпуск выполнять при 200—300° С, а последеформационный — при температурах на 50—100 град ниже первого. Однако в случае пружинных сталей, поскольку необходимо получение максимального предела упругости, температура последеформационного отпуска, по-видимому, должна быть такой же, как и первого (300° С). Судя по данным работы более высокую релаксационную стойкость при 50—250° С пружины из закаленной проволоки стали 70С2ХА (ЭИ142), деформированные в результате навивки, приобретают после окончательного отпуска при 350° С.

Важно отметить, что упрочнение, достигнутое в результате марформинга, термически устойчиво. В итоге сталь после марформинга имеет более высокие прочностные свойства, чем после обычной закалки, вплоть до отпуска при 400—500° С.

Как отмечалось выше, марформинг пружинных сталей освещен лишь в очень немногих работах. В работе показано, что сталь 50ХФА (0,50% С; 0,65% Mn; 0,25% Si; 1,28% Сr и 0,17 %V), подвергнутая после закалки или после закалки и низкого отпуска (200° С, 2 ч) холодной пластической деформации с обжатием 1 % (обработка I), приобретает значительно более высокие свойства, чем после закалки и отпуска при 200° С (обработка II):

Поданным А.И. Критской, применение марформинга для стали 50ХФА по режиму: закалка с 860°С, отпуск при 300° С, 1 ч, деформация растяжением на 0,5—1% и отпуск при 300° С, 1 ч, повышает предел упругости (o0,002) до 1080 Мн/м2 (110 кГ/мм2), что на 196 Мн/м2 (20 кГ/мм2) выше, чем после обычной термической обработки — закалки и отпуска при 300° С, 1 ч.

Все эти данные представляют практический интерес, тем более, что для марформинга достаточны небольшие пластические деформации, которые могут быть достигнуты либо при навивке, либо на готовых упругих элементах (поджатие цилиндрических пружин, опрессовка трубчатых пружин и т. д.). Возможно также изготовление пружин из высокопрочной проволоки, полученной в результате деформации стали с пониженным содержанием углерода, закаленной на мартенсит.

Особый интерес представляет сочетание нескольких методов упрочнения, включающих марформинг в единую технологическую схему, в частности, после ВТМО, поскольку после термомеханической обработки по этому режиму сталь наряду с высокой прочностью обладает и повышенной пластичностью и поэтому может быть подвергнута дополнительной деформации. Этот комплексный процесс упрочнения пружинных сталей, как показано в работах, является перспективным.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: