Метастабильные аустенитные стали

Многие детали машин, работающие в контакте с быстротекущим потоком жидкостей (лопасти турбины гидростанций, судовые гребные винты, лопасти насосов, системы охлаждения различных агрегатов и т.п.) подвергаются кавитационной эрозии. Под воздействием многократных и гидравлических ударов, локализованных в микрообъемах поверхности, происходит пластическая деформация, а затем и разрушение, эрозия металла.

Высокая способность марганцевого аустенита к деформационному упрочнению использована при разработке хромомарганцевых нестабильных аустенитных сталей с высокой кавитационной стойкостью. Наибольшим сопротивлением кавитационному воздействию обладают метастабильные аустенитные стали на хромомарганцевой основе, которые под влиянием внешней нагрузки претерпевают мартенситное превращение.

Мартенситное превращение, вызванное деформацией, в аустенитных сталях может развиваться, если деформацию проводят ниже температуры М_Д. Положение температур М_Н и М_Д рассматривается как условный показатель стабильности аустенита. При равном положении мартенситных точек и одинаковом содержании углерода образование мартенсита при деформации протекает более интенсивно в марганцевых и хромомарганцевых сталях, чем в никелевых и хромоникелевых. Мартенситные превращения в хромомарганцевых сталях развиваются по схемеg e - a, при этом обычно в случае малых степеней деформации инициируется g e -, а при больших g a -, а также e a - превращение.

Кавитационная стойкость находится в прямой зависимости от способности стали к упрочнению в процессе внешнего воздействия рабочей среды. Роль мартенситных превращений в повышении кавитационной стойкости заключается не только в том, что кристаллы мартенсита создают высокий уровень упрочнения и обладают повышенным сопротивлением разрушению, но и в том, что в процессе мартенситного превращения происходит релаксация напряжений. Мартенсит деформации отличается от мартенсита охлаждения более высокой дисперсностью и большей прочностью кристаллов.

Кавитационностойкие стали 30Х10Г10 и 0Х14АГ12, имеющие метастабильную аустенитную структуру, обладают активной кинетикой мартенситообразования при деформации. Равномерная деформация и разрушение поверхностного слоя деталей с метастабильным аустенитом приводят к тому, что на поверхность выступает новый слой, в котором под действием гидравлических ударов снова образуется мартенсит. Многократное повторение этого процесса обусловливает очень медленное развитие разрушения, т.е. высокую эксплуатационную стойкость.

Химический состав и механические свойства метастабильных хромомарганцевых аустенитных сталей приведены в таблице 4.

Таблица 4

Образование мартенсита в процессе механических испытаний метастабильных хромомарганцевых аустенитных сталей обеспечивает им более высокие значения s_В и значительное снижение пластических характеристик по сравнению с более стабильным аустенитом стали 12Х18Н10Т. Повышенная способность к упрочнению хромомарганцевых метастабильных аустенитных сталей обусловливает значительно более высокую кавитационную стойкость этих сталей по сравнению со сталью 08Х18Н8, стабильной в данных условиях воздействия.

Принцип метастабильности аустенита был использован также для повышения стойкости стали при работе в условиях ударно – абразивного изнашивания. Поскольку износостойкость марганцевого аустенита в значительной степени обусловлена его способностью к деформационному упрочнению, выигрыш от применения хромомарганцевых метастабильных аустенитных сталей достигается благодаря эффективному механизму упрочнения вследствие образования достаточного количества мартенсита деформации, кроме действующего в стали 110Г13Л основного механизма наклепа аустенита.

Содержание углерода в хромомарганцевой метастабильной аустенитной стали, обеспечивающее активное действие двух основных механизмов упрочнения, должно находиться в пределах 0,5 – 0,8 % С при 7 – 10 % Mn и 3 – 6 % Cr.

Сталь 60Х5Г10Л (М_Н = - 50 – 70 ^оС) обладает более высокой стойкостью при циклическом контактно – усталостном нагружении и ударно – абразивном изнашивании по сравнению со сталью 110Г13Л. Пластическая деформация вызывает в образцах метастабильной аустенитной стали 60Х5Г10Л развитие g e a - превращения с образованием свыше 30 % a - мартенсита после 10⁵ циклов нагружения, в то время как сталь 110Г13Л сохраняет аустенитную структуру.

Высокая стойкость метастабильных хромомарганцевых аустенитных сталей в процессе кавитационного и циклического контактно – ударного нагружения достигается в том случае, когда обеспечивается оптимальная для данного способа деформации кинетика мартенситных превращений – достаточно интенсивное и равномерное образование мартенситных фаз в течение всего периода работы.

15.4 Немагнитные стали повышенной прочности

Аустенитные стали парамагнитны, однако имеют низкие значения предела текучести (150 – 350 МПа), что затрудняет их использование в качестве материала высоконагруженных деталей и конструкций.

Повышенные прочностные свойства, соответствующие уровню свойств конструкционных улучшаемых сталей, достигаются на сталях аустенитного класса холодной или теплой пластической деформацией; упрочнением в результате дисперсионного твердения, упрочнением посредством фазового наклепа при последовательном проведении прямого и обратного мартенситногоg a g - превращений.

Один из основных путей повышения прочности немагнитных сталей состоит в использовании парамагнитного e - мартенсита, образующегося в низкоуглеродистых сталях с 16 – 22 % Mn. Двухфазные (g + e) стали типа 05Г20 имеют после закалки более высокие прочностные свойства по сравнению с однофазными аустенитными сталями: s_0,2 = 370 - 450 МПа; s_В = 750 – 950 МПа; d = 30 -40 %; y = 35 - 60 %.