ПНП-стали

В 1966 г. Закей и Паркер предложили стали нового типа, получившие в отечественной литературе название ПНП-сталей (пластичность, наведенная превращением). В первом патенте (США) на эти стали (TRIP-Steels) излагались следующие принципы их создания.

В исходном (после аустенитизации) состоянии сталь должна иметь точки Mн и Mд ниже комнатной температуры. Mн — температура, выше которой не идет мартенситное превращение при охлаждении, Mд — то же при деформации. С целью понижения указанных мартенситных точек в состав ПНП-сталей вводят определенные количества молибдена, хрома, никеля, марганца, ванадия, ниобия, тантала, вольфрама, кремния, азота и углерода; ПНП-стали содержат не менее 1% любого из следующих легирующих элементов: Mo, Cr, Mn, V, Nb, Ta, W. Суммарное содержание углерода и азота составляет от 0,2 до 0,5%. В патенте приведены следующие составы первых ПНП-сталей, %: a) 8Cr, 8Ni, 2Si, 2Mn, 4Мо, 0,30С; б) 24Ni, 4Мо, 0,25С; в) 21 Ni, 2Mn, 2Si, 4Мо, 0,24 С.

Перед обработкой, предложенной в патенте, ПНП-стали должны находиться в однородном аустенитном состоянии; температура аустенитизации лежит в интервале 980—1200° С.

Обработка состоит в деформации при температурах, не превышающих температуру рекристаллизации, которая для ПНП-сталей оценивается интервалом от 680 до 980° С. При этом в качестве нижнего температурного предела деформации указывается 345° С. Деформация может осуществляться прокаткой, ковкой, волочением, штамповкой и другими способами. Степень деформации должна быть не менее 10%. Деформация в указанном интервале температур приводит в повышению прочностных характеристик ПНП-стали за счет деформационного упрочнения (наклепа) и деформационного старения (карбидообразования) в ходе пластической деформации Образование карбидов приводит в обеднению аустенитной матрицы по углероду и легирующим элементам и соответственно к повышению точки Мд выше комнатной температуры. Благодаря этому в ходе последующих механических испытаний образцов при комнатной температуре образуется мартенсит деформации, обеспечивающий упрочнение, а протекание превращения в ходе самой деформации определяет повышенную пластичность.

Помимо основного способа обработки ПНП-стали (деформации в интервале от 345 до 980°С), в патенте указывается ряд обработок, применяемых добавочно к основной: охлаждение ниже комнатной температуры, отпуск, дополнительная деформация при комнатной и более низких температурах.

Идея использования мартенситного превращения, идущего при деформации для улучшения свойств стали, Возникла давно. Более 70 лет назад фазовое превращение, вызванное деформацией, было использовано Гадфильдом, разработавшим серию высокоуглеродистых высокомарганцевых сталей. В дальнейшем было выполнено много работ по изучению мартенситного y—>а-пpeвращения, идущего при пластической деформации нержавеющих сталей, получивших широкое практическое применение. Было показано, что холодная пластическая деформация сталей типа Х18Н8 приводит к существенному повышению прочностных свойств, что связано в большой мере с протеканием у—>а-превращения. Используя различные технологические приемы, удалось повысить предел прочности листовой нержавеющей стали с 60 до 150 кгс/мм2, проволоки до 260 кгс/мм2.

Повышение прочностных свойств в большинстве случаев приводило к снижению пластических характеристик нержавеющих сталей. Однако в ряде случаев наблюдалось одновременное возрастание предела прочности и относительного удлинения. Оказалось, что предварительная высокотемпературная деформация, не меняя прочности стали, приводит к более высоким значениям относительного удлинения, чем предварительная деформация при комнатной температуре. На сплавах Fe—Ni—С было обнаружено, что протекание у—>а-мартенситного превращения в ходе испытания разрывного образца может приводить к аномально высоким значениям 6.

Влияние мартенсита деформации на пластическое поведение метастабильных аустенитных сталей при испытании на растяжение проявляется в предотвращении образования шейки на разрывном образце.

На рис. 159 приведены температурные зависимости предела прочности, относительного удлинения и намагниченности нержавеющей стали (0,095% С; 1,07% Mn; 0,48% Si; 7,58% Ni; 16,99% Cr; 0,27% Mo; 0,031 %N). Характерно, что относительное удлинение изменяется по кривой с максимумом. Аналогичные серии кривых получены на целой гамме сталей, различающихся по содержанию легирующих элементов. Легирование, практически не меняя характера зависимостей, лишь сдвигает кривые по температурной шкале. Во всех исследованных сталях пик относительного удлинения соответствовал образованию в образцах около 50% мартенсита деформации (по данным рентгеновского анализа). Аналогичная закономерность изменения пластичности при образовании мартенсита наблюдалась во многих сплавах системы Fe—Ni—С.

На рис. 160 для сплава Fe—29 Ni—0,26 С показана кривая температурной зависимости 6, проходящая через максимум в интервале температур между Мд и Mн.

В стабильных сталях, которые при деформации не претерпевают мартенситного превращения, сопротивление локализованному течению определяется наклепом (деформационным упрочнением) аустенита. Такой наклеп является достаточным для предотвращения быстрого образования шейки и обеспечения равномерного удлинения лишь при относительно малых нагрузках и деформациях. При больших нагрузках и деформациях локальное уменьшение сечения при образовании шейки значительно увеличивает напряжение в области шейки, и наклеп аустенита оказывается недостаточным для обеспечения необходимого упрочнения: местная пластическая деформация получает развитие, и образец разрушается.

В метастабильных аустенитных сталях мартенсит образуется в месте зарождения шейки и упрочняет ее настолько, что она перестает быть самым слабым участком. В результате деформация распространяется на соседние участки. Таким образом, образование мартенсита приводит к уменьшению локализованного течения и обеспечивает равномерную деформацию по всей длине образца. Благоприятное влияние мартенсита на пластичность стали проявляется лишь тогда, когда у—>а-превращение сопровождает начало образования шейки. В случае более раннего появления мартенсита пластичность ухудшается.

Итак, можно сделать интересный вывод, что создание нового класса материалов (ПНП-сталей) явилось результатом удачного сочетания известных способов воздействия на прочностные и пластические свойства аустенитных сталей: механического наклепа и старения для повышения прочности и мартенситного превращения при деформации для обеспечения высокой пластичности.