ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Чейлях Олександр Петрович

УДК 669.017.3(043.3)

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ СТВОРЕННЯ І ЗМІЦНЕННЯ

ЕКОНОМНОЛЕГОВАНИХ МЕТАСТАБІЛЬНИХ СПЛАВІВ

05.16.01 – Металознавство та термічна обробка металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Запоріжжя – 2003

Дисертація є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі “Матеріалознавство” у Приазовському державному технічному університеті (м. Маріуполь) Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант

- доктор технічних наук, професор Малінов Леонід Соломонович, Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедрою “Матеріалознавство”.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Дьяченко Світлана Степанівна, Харківський національний автомобільно-дорожній університет (м. Харків), професор кафедри “Технологія металів і матеріалознавство”

- доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Попов Веніамін Степанович, Запорізький національний технічний університет (м. Запоріжжя), завідувач кафедрою “Зварювання та технології зварювального виробництва”

- доктор технічних наук, професор Баранов Олександр Олександрович, Донецький національний технічний університет (м. Донецьк), професор кафедри “Фізичне матеріалознавство”.

Провідна установа – Національна металургійна академія України Міністерства освіти і

науки України

Захист відбудеться 27.05.2003 р. о 13-30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д17.052.01 при Запорізькому національному технічному університеті (ЗНТУ) за адресою:

69063, м. Запоріжжя, вул.. Жуковського, 64, ауд.153.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ЗНТУ

Автореферат розісланий 22.04.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д17.052.01 д.т.н., проф. Внуков Ю.Н.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблеми підвищення якості й ефективності машинобудівних матеріалів, надійності і довговічності деталей машин і інструменту останнім часом доводиться вирішувати в умовах всебічної економії гостродефіцитних в Україні легуючих компонентів – нікелю, молібдену, ніобію, ванадію та ін., а також забезпечувати адекватну заміну дорогих дефіцитних сплавів. Актуальними завданнями сучасного матеріалознавства є створення економічних матеріалів, які не містять дефіцитних компонентів, і одночасно володіють підвищеними фізико-механічними й експлуатаційними властивостями, а також високоефективних технологій зміцнення розроблюваних і стандартних, сплавів які широко застосовуються в промисловості. Одним з найбільш перспективних напрямків у вирішенні зазначених завдань є розробка метастабільних сплавів, які самоорганізуються при експлуатації і перетерплюють при навантаженні керовані деформаційні фазові перетворення (ДФП), (мартенситні (ДМП), динамічне деформаційне старіння (ДДС) і ін.), а також зміцнюючих технологій, заснованих на формуванні метастабільних станів для керування їхніми властивостями. Кероване використання ДФП у метастабільних сплавах дозволяє компенсувати відсутність у їхньому складі дефіцитних елементів і досягати аномально високі показники властивостей і, особливо, їхніх поєднань, завдяки реалізації прихованих внутрішніх резервів, що не вдається одержати в звичайних стабільних матеріалах. Незважаючи на велику кількість робіт, виконаних у цьому напрямку, більшість з яких носять, як правило, частковий характер, відсутні узагальнюючі роботи, які охоплювали б сталі і чавуни різних систем легування, структурних класів і функціонального призначення з погляду метастабільності структури і її ролі у формуванні їхніх властивостей. Не з'ясованими залишаються загальні кінетичні закономірності поведінки різних кількостей і морфологічних типів метастабільного аустеніту при навантаженні в різних сталях і чавунах, кількісні залежності між розвитком ДФП і формуванням їхніх властивостей, у тому числі в різних умовах навантаження, не досліджена кінетика ДМП метастабільного залишкового (Азал) і вторинного (Авт) аустеніту, одержуваного в стандартних сплавах. Усе це не дозволяє ефективно створювати і використовувати внутрішні резерви метастабільності для керування властивостями, що вимагає розробки наукових основ і принципів створення метастабільних сплавів і формування метастабільних станів різнофункціональних сталей та чавунів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. По темі дисертації при особистій участі і під керівництвом автора виконано 9 госпдоговірних і держбюджетних робіт (1988-2002 р.м.), у тому числі в рамках координаційного плану НДР з напрямку 2.26 “Фізико-хімічні основи металургійних процесів” відділення фізико-хімії і технології неорганічних матеріалів АН СРСР (1986-1990 р.р.), Державної науково-технічної програми з пріоритетного напрямку № 06 “Нові речовини і матеріали” за замовленням Міносвіти і науки України. Результати дисертаційних досліджень і розробок використовуються в спеціальних курсах навчального процесу Приазовського державного технічного університету.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування створення економічних різнофункціональних метастабільних сплавів і способів зміцнення для керування фізико-механічними й експлуатаційними властивостями.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі наукові і прикладні завдання:

1. Розробити принципи створення економічних функціональних метастабільних сплавів і метастабільних станів у різних сталях і чавунах, способи керування їхніми властивостями.

2. Установити кількісні взаємозв'язки між складом, кінетикою ДФП, формуванням механічних і експлуатаційних властивостей метастабільних сплавів.

3. Виявити загальні закономірності кінетики деформаційних мартенситних перетворень у залежності від вихідного фазового складу, умов навантаження метастабільних сплавів різних систем легування і функціонального призначення.

4. Провести системні дослідження впливу легуючих елементів, режимів термічної, термо-деформаційної, хіміко-термічної та інших видів обробок на мікроструктуру, фазовий склад, кінетику ДФП і властивості, на основі яких розробити нові економічні високоміцні, зносостійкі, корозійностійкі і жаростійкі сталі і чавуни, за властивостями не уступають дорогим дефіцитним аналогам.

5. Теоретично й експериментально обґрунтувати можливість гетерогенізації аустеніту, що передує мартенситним перетворенням, для формування метастабільних станів аустеніту, на основі чого розробити нерівноважні технології обробок для комплексного зміцнення створюваних і стандартних конструкційних і інструментальних сплавів.

Об'єкт дослідження - створювані метастабільні сплави і метастабільні фазові стани у відомих сталях і чавунах.

Предмет дослідження - деформаційна метастабільність аустеніту і кінетика ДФП, що визначають керування властивостями різнофункціональних сплавів.

Методи дослідження: регресійний і кореляційний аналізи, фізико-математичне моделювання і математична обробка діаграм випробувань і кінетичних мартенситних кривих деформації за допомогою персонального комп'ютера, оптична й електронна (просвічуюча і растрова) мікроскопія з кількісним мікроаналізом фаз, кількісний рентгеноструктурний фазовий аналіз, диференційно-термічний, магнітометричний, ділатометричний, дюрометричні методи, статичні випробування на розтягання, крутіння, динамічні випробування на вигин, випробування на зношування в умовах сухого і вологого тертя-ковзання, ударно-абразивного зношування.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Сформульовано нові теоретичні положення, узагальнення закономірностей і принципи створення економічних метастабільних сталей і чавунів різних систем легування, структурних класів і призначення, а також способів зміцнення розроблюваних і таких, що широко застосовуються, сплавів. Їхня розробка і підвищення комплексу властивостей, при економному легуванні, базуються на формуванні метастабільних станів аустеніту будь-яких морфологічних типів, керованості кінетикою його деформаційних фазових перетворень при випробуваннях і експлуатації, кількісно взаємопов’язаної з процесом формування властивостей (у комплексі з традиційними механізмами) в залежності від напружено-деформаційних і температурно-часових умов їхньої реалізації.

2. Уперше на основі запропонованого принципу оборотності взаємозв'язку кінетики ДФП і формування властивостей з використанням розробленої математичної моделі встановлені кількісні аналітичні і графічні залежності механічних і службових характеристик від кінетичних параметрів ДФП з урахуванням складу, спільної дії основних механізмів попереднього зміцнення метастабільного аустеніту. Показано, що вони є загальними для метастабільних сплавів різного легування, структурних класів і призначення, дозволяють ефективно керувати їхніми властивостями.

3. Уперше на основі системних досліджень установлено, що закономірності зміни кінетики деформаційних мартенситних перетворень від вихідного вмісту метастабільного аустеніту будь-яких фазово-морфологічних типів є загальними для сталей і чавунів усіх структурних класів, різних систем легування і призначення незалежно від напружено-деформаційних умов їхньої реалізації. Відхилення фазового складу в ту чи іншу сторону незалежно від причин, що викликали його, закономірно змінює кінетику ДМПВ відповідно до повної кінетичної мартенситної кривої.

4. Установлені залежності кінетики ДМП від напружено-деформаційно-часових умов їхньої реалізації, які визначають формування властивостей метастабільних сплавів різних систем легування, що необхідно враховувати для різних умов експлуатації. Реверсування статичної деформації і збільшення її швидкості, зменшення жорсткості напруженого стану знижують інтенсивність ДМП при однаковому вихідному фазовому складі сплаву. Переривання ДМП, витримка під дією дотичних напружень, здатні як гальмувати, так і активізувати наступне перетворення в залежності від їхньої величини і кількості отриманого мартенситу.

5. Теоретично й експериментально обґрунтоване використання принципу гетерогенізації аустеніту за допомогою обмеженого розчинення або виділення надлишкових зміцнюючих фаз для формування метастабільних станів аустеніту, реалізації сукупностей основних зміцнюючих механізмів у поєднанні з механізмом ДМП, що забезпечує підвищення комплексу механічних і службових властивостей різноманітних сплавів.

6. Уперше на основі експериментальних і узагальнених даних запропоноване доповнення до схеми взаємозв'язку напруги і температури утворення мартенситу (Г. Олсона і М. Коэна), що полягає в безперервному підвищенні величини дотичних напружень початку мартенситного перетворення в інтервалі температур Мн-Мк. Запропоновано поняття точки Мк як температури, нижче якої пружні напруження не викликають утворення мартенситу напруження.

7. Установлено, що незалежно від схеми і характеру навантаження, підвищення загальної енергоємності метастабільних сплавів обумовлено не стільки поглинанням енергії на ДФП, як це представлялося раніше, скільки розгалуженістю системи дисипації і перерозподілом за рахунок механізмів і кінетики ДФП збалансованих енерговитрат на деформаційне самозміцнення, пластичну деформацію, гальмування зародження і розвитку тріщин. Це забезпечує підвищення як окремих властивостей сплавів, так і їхнього комплексу.

8. Уперше встановлений кількісний взаємозв’язок між кінетикою зношування і кінетикою ДФП, які реалізуються в поверхневих шарах зразків, і носять зворотний характер: збільшення інтенсивності ДФП обумовлює зниження інтенсивності зношування сплавів. Незалежно від системи легування в зносостійких чавунах, сталях і цементованих шарах при абразивному й ударно-абразивному зношуванні зносостійкість пропорційна кількості твердих фаз, що утворюються, в поверхневих шарах внаслідок розвитку ДФП.

9. Уперше показана можливість регулювання ступеня метастабільності аустеніту, керування кінетикою ДМП і властивостями хромомарганцевих сталей аустенітно-феритного класу за рахунок реалізації перетворень при нагріванні у певні області діаграм фазових рівноваг і зміни фазового складу за допомогою параметрів термообробки.

10. Вперше узагальнені і класифіковані всі морфологічні типи й особливості аустеніту, фізико-хімічні фактори й умови формування його метастабільних станів у сталях і чавунах, що дозволяють використовувати його ДМП для ефективного керування їх властивостями.

Практична значимість отриманих результатів. На основі сформульованих принципів, розроблених теоретичних і експериментальних положень і закономірностей, створені економічні метастабільні високоміцні, зносостійкі, корозійностійкі і жаростійкі сталі і зносостійкі чавуни, що не уступають, а в низці випадків переважають відомі дефіцитні сплави, а також технології зміцнення розроблених і стандартних сталей і чавунів.

В умовах ВАТ “Маріупольський металургійний комбінат імені Ілліча”, ВАТ “Таганрозький завод “Красный котельщик” впроваджені у виробництво розроблені зносостійкі чавуни ЧХ15Г5ТЮ і ЧХ12Г4Д2 для виготовлення футеровочних плит металургійного обладнання і деталей, що швидко зношуються, дробеметних установок. Економічна ефективність їхнього використання досягається підвищенням довговічності деталей (плит у 3-4 рази), продуктивності обладнання, виключення дефіцитних легуючих компонентів (Ni, Mo, V), зниження витрати металу, ремонтно-експлуатаційних витрат.

В умовах ВАТ “Азовмаш” (м. Маріуполь) впроваджені у виробництво розроблена порошкова наплавочна стрічка Пл-Нп-25Х14Г12Ф-А-Ф (ПЛН-7) замість більш дорогих стрічок ПЛН-4 і ПЛН-6 для наплавлення коліс мостових кранів; розроблена жаростійка сталь 35Х23Г3СФЛ замість хромонікелевої сталі 35Х23Н7СЛ для виготовлення деталей арматури термічних печей. Економічна ефективність використання цих матеріалів досягається за рахунок економії нікелю, молібдену, ніобію, азотованого і металічного марганцю, а також підвищення довговічності кранових коліс, зниження ремонтно-експлуатаційних витрат.

В умовах ВАТ “Завод “Південьгідромаш” (м. Бердянськ) впроваджена корозійно-стійка сталь 12Х16Г10ДСТЛ для виготовлення деталей насосів замість хромонікелевої сталі 12Х18Н9Л, що дозволило заощаджувати 90-110 кг гостродефіцитного нікелю на 1 т сталі, знизити собівартість виробництва виробів.

В умовах ВАТ “Азовмаш” (м. Маріуполь) впроваджена у виробництво технологія швидкісного високотемпературного загартування з нагріванням СВЧ клапанів зі сталі 20Х13 розподільних корпусів гідросистеми преса ПА-238, яка забезпечує гетерогенізацію аустеніту і збереження 20-25 % метастабільного залишкового аустеніту, що збільшило довговічність деталей у 10 разів, дозволило знизити витрату нержавіючої сталі, ремонтні витрати, підвищити продуктивність преса.

Впровадження розробок у виробництво дало фактичний економічний ефект понад 1 млн. гривень, очікуваний економічний ефект складає понад 5 млн. гривень.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення і принципи, крім вказаних у тексті окремо, автором розроблені особисто. Йому належать:

- наукове обґрунтування і принципи створення метастабільних сплавів [5, 11, 7];

- кількісний аналіз внеску ДФП у формування властивостей сплавів [2, 4, 30, 45, 46];

- узагальнення закономірностей ДМП у різних сплавах [1, 3, 6, 7, 9, 10, 14, 15, 33, 41];

- розробка принципів підвищення енергоємності і синергізму метастабільних сплавів [47, 48];

- розробка і дослідження високоміцних метастабільних сталей [18, 26, 37];

- фізико-математичні моделі гетерогенізації аустеніту [4, 29];

- способи зміцнення на основі принципу гетерогенізації аустеніту [4, 6-10, 12, 16, 20, 23, 27, 36, 40, 44];

- розробка і дослідження зносостійких метастабільних чавунів [22, 25, 30, 32, 35, 38, 43];

- конструкція установки і методика випробувань на ударно-абразивне зношування [39];

- розробка і дослідження корозійностійких і жаростійких сталей [5, 28, 31, 34, 42, 47];

- дослідження метастабільних станів аустеніту в поверхневих шарах [13, 19, 24];

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові, експериментальні і практичні результати роботи доповідалися й обговорювалися на I-IX регіональних науково-практичних конференціях (м. Маріуполь 1992-2002 р.р.), галузевій науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців (м. Харків, 1990 р.), Всесоюзній науково-технічній конференції “Нові матеріали і ресурсозберігаючи технології термічної і хіміко-термічної обробки в машинобудуванні і металургії” (м. Новокузнецьк, 1991 р.), міжреспубліканській і міжнародній науково-технічних конференціях “Прогресивні методи одержання конструкційних матеріалів і покрить, що підвищують довговічність деталей машин” (м. Волгоград, 1992 р., 1996 р.), V, VI, VII, міжнародних науково-технічних конференціях “Нові конструкційні метали і сплави і методи їхньої обробки для підвищення надійності і довговічності виробів” (м. Запоріжжя 1992 р., 1995 р., 2000 р.), II, III міжнародних конференціях “Матеріали для будівництва-ICMB(93, ICMB94” (м. Дніпропетровськ, 1993 р., 1994 р.), Третьому Черкаському семінарі країн співдружності “Сокирне95”- “Актуальні питання дифузії, фазових і структурних перетворень у сплавах” (м. Сокирне, 1995 р.), міжвузовській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців “Проблеми техніки, технології й економіки машинобудівного виробництва” (м. Краматорськ, 1996 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “ТеrmoobrObka98” (м. Устронь, Польща, 1998 р.), Першому і Другому науково-технічних симпозіумах “Устаткування і технологія термічної обробки металів і сплавів у машинобудуванні” ОТТОМ-2000, ОТТОМ-2001, (м. Харків, 2000 р., 2001 р.), Міжнародній науковій конференції “Питання сучасного матеріалознавства” (Стародубівські читання 2002) (м. Дніпропетровськ, 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “ОТТОМ-3” (м. Харків, 2002 р.).

Публікації. Основою дисертації є 81 публікація, у тому числі: 33 статті (з них 11 – без співавторів) у професійних виданнях ВАК, 7 патентів України, 10 патентів Росії, 8 авторських свідоцтв на винаходи, 4 доповіді і 17 тез доповідей. Перераховані публікації не містяться в кандидатській дисертації і її авторефераті. Усього з теми дисертації здобувачем особисто й у співавторстві опубліковано 140 робіт, у тому числі 27 патентів і авторських свідоцтв на винаходи.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, списку літератури, додатків, викладених на 440 сторінках, з яких 286 сторінок основного тексту, 133 ілюстрації, 55 таблиць, 370 використаних джерел на 35 сторінках, 11 додатків на 42 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність роботи, обґрунтована мета, сформульовані завдання, наукова новизна і практичне значення роботи.

Аналітичний огляд і вибір напрямків досліджень. Метастабільними вважаються нестійкі сплави або стани, здатні до фазово-структурних перетворень під впливом зовнішніх або внутрішніх впливів, таких як механічні напруження і деформації, тертя і зношування, кавітація, ерозія, термічні, структурні й ін.

Принцип метастабільності аустеніту запропонований І.М. Багачевим, згодом був розвинений у фундаментальних і прикладних роботах Р.І. Мінца, Л.С. Малінова, О.П. Гуляєва, О.П. Максимової, О.О. Банних, С.С. Дьяченко, Т.Ф. Волинової, В.В. Сагарадзе, М.О. Філіппова, В.С. Литвинова, Ю.Р. Немировського, А.А. Рудакова, Б.А. Потєхіна, Л.Г. Журавльова, Ю.Г. Віраховського, І.Я. Георгієвої, К.О. Малишева, А.І. Уварова, В.С. Попова, М.М. Брикова, М.М. Тененбаума, О.Л. Геллера, І.І. Ципіна, Ю.Г. Бобро, В.І. Тихоновича, Б.А. Кирієвського, В.Ф. Закей, Є.Р. Паркера, Г. Олсона, М. Коэна та ін., присвячених створенню метастабільних аустенітних високоміцних і зносостійких сталей і чавунів.

Підвищення міцнісних властивостей і зносостійкості в них досягається завдяки протіканню при навантаженні в процесі випробувань або експлуатації деформаційних мартенситних , перетворень і утворенню - і - мартенситів деформації, а в високомарганцевистих сталях – двійників деформації і дефектів упакування. Релаксація напружень, що супроводжує ці перетворення сприяє підвищенню пластичних характеристик.

Систематизація відомих фізико-хімічних факторів і механізмів стабілізації аустеніту для збереження його в структурі показала широкі можливості формування метастабільних станів у сталях, чавунах різних структурних класів і функціонального призначення, що дотепер використовується дуже обмежено. Суперечливий і дискусійний характер даних про роль метастабільного аустеніту у формуванні властивостей, відсутність обліку цих факторів стабілізації і термодинамічних умов його одержання, хімічного складу і ступеня метастабільності, не дозволяють ефективно використовувати ДФП для керування властивостями різноманітних сплавів.

Існуючі уявлення про кількісний вплив метастабільного аустеніту і кінетики його ДМП на певні механічні і службові властивості обмежуються окремими сталями і носять, як правило, частковий, емпіричний характер, найчастіше суперечливі. Вимагає систематизації й узагальнення кількісна оцінка внеску ДМП з урахуванням їх кінетики, складу, фазово-структурного стану метастабільного аустеніту у формуванні властивостей сталей і чавунів різних систем легування і призначення. Дані про кінетику ДМП в основному відносяться до метастабільних аустенітних сталей, а для сплавів інших структурних класів з різним вмістом метастабільного аустеніту (поряд з іншими фазами) ці відомості дуже обмежені. Представляє теоретичний і практичний інтерес установлення загальних закономірностей кінетики деформаційного перетворення метастабільного аустеніту і формування властивостей сталей і чавунів різного легування і призначення (включаючи і придбану за рахунок термообробки метастабільність), у тому числі в різних умовах навантаження.

Більшість високоміцних зносостійких, корозійностійких, жаростійких сталей і чавунів, які застосовуються у виробництві, леговані дорогими і гостродефіцитними в Україні елементами (нікелем, молібденом, ванадієм, ніобієм і ін.), що стримує їхнє широке застосування, а метастабільність аустенітної фази в більшості випадків не використовується, часто носить дискусійний характер. Дуже актуальна й економічно доцільна розробка нових економічних сплавів вказаного призначення, при якій заміна дефіцитних компонентів компенсувалася б створенням і використанням керованої метастабільності для підвищення їх механічних і службових властивостей.

Метастабільність аустенітної фази і реалізація її ДФП в умовах експлуатації може бути використана для широкого кола стандартних конструкційних, інструментальних та ін. сталей і чавунів різних структурних класів, у зміцнених поверхневих шарах методами ХТО, лазерним і електронним промінем, струмінем плазми. Однак у більшості робіт метастабільність залишкового аустеніту, або не враховується, або ігнорується і цілеспрямовано (керовано) не використовується, що повністю не розкриває внутрішніх резервів у підвищенні якості багатьох деталей машин і інструменту. Уважливим аспектом у підвищенні властивостей зазначених сплавів є розробка нових технологій термічної, термо-деформаційної, хіміко-термічної та інших видів обробок, заснованих на використанні комплексу систематизованих фізико-хімічних факторів і механізмів, що визначають формування метастабільних станів аустеніту, регулювання ступеня його метастабільності для керування кінетикою ДФП.

Тим часом, незважаючи на значну кількість робіт, присвячених вивченню метастабільного аустеніту, до даних досліджень були відсутні загальні підходи і принципи проектування метастабільних сплавів різного функціонального призначення і способів керування властивостями, заснованих на формуванні і використанні метастабільних станів аустеніту як у створюваних, так і стандартних, сталях і чавунах, які широко застосовуються у виробництві.

Наукові основи і принципи створення метастабільних сплавів, станів і зміцнюючих технологій. Проектування метастабільних, економічних сплавів різних структурних класів, систем легування і призначення, метастабільних станів і способів керування фізико-механічними й експлуатаційними властивостями будується на таких принципах:

1) принцип створення і цілеспрямованого використання фазово-структурної метастабільності при випробуваннях, експлуатації й обробці, відповідно до якого необхідне одержання метастабільних станів аустеніту в будь-яких фазово-морфологічних модифікаціях. Вперше узагальнені і класифіковані всі морфологічні типи й особливості метастабільного аустеніту: основна і супутня -фаза, що міститься з мартенситом, феритом, бейнітом, перлітом, надлишковими фазами впровадження (залишковий, реверсований (вторинний), первинний, евтектичний, пересичений і ін.). Вони розрізняються умовами одержання, морфологією, вмістом вуглецю і легуючих елементів, ступенем метастабільності. Запропоновано класифікувати можливі прояви метастабільності сплавів і реалізовані в них перетворення: а) фазово-деформаційна (деформаційні , мартенситні перетворення (ДМП), динамічне деформаційне старіння (ДДС), деформаційно-дифузійні фазові перетворення (ДДФП), динамічне термо-деформаційне старіння (ДТДС) і ін.); б) структурно-деформаційна (динамічне двійникування, утворення дефектів упакування, дислокаційних субструктур і ін.). Можливі й інші прояви метастабільності в сплавах.

2) принцип керованості кінетикою ДФП при випробуванні і експлуатації, що відіграє визначальну роль у забезпеченні заданого поєднання механічних і експлуатаційних властивостей. Реалізується комплексом природно-металургійних факторів, легуванням, особливостями структури сплаву, способами термічної, термо-деформаційної, хіміко-термічної та інших обробок завдяки раціональному використанню різних факторів, що впливають на ступінь метастабільності аустеніту (хімічний склад, щільність і характер розподілу дефектів, розміри зерен і субзерен, присутність твердих чи пластичних фаз, рівень мікронапруг і т.д.). Виходячи з вимог, що пред’являються до властивостей і умов експлуатації, необхідно задавати і реалізувати на стадії експлуатації деформаційні перетворення комплексно або диференційовано.

3) принцип оборотності взаємозв’язку кінетики ДФП і кінетики формування властивостей, що дозволив установити кількісні аналітичні і графічні залежності одержуваних властивостей від вихідного фазового складу і кінетичних параметрів реалізованих у сплаві ДФП (початковий вміст вихідної фази, початкова і поточні інтенсивність і ступінь перетворення, показник крутизни мартенситної кривої й ін.). Зі збільшенням вмісту мартенситу загартування (о) зростають лінійно напруження початку утворення мартенситу і межа текучості сталей (=0). На підставі експериментальних даних по Fe-Cr-Mn і Fe-Cr-C метастабільних сталях, узагальнення і переробки літературних даних по Fe-Ni, Fe-Mn і Fe-Cr-Ni запропоноване доповнення до схеми взаємозв’язку напруження і температури утворення мартенситу (Г. Олсона і М. Коэна), що полягає в безперервному збільшенні напруження початку утворення мартенситу в інтервалі температур Мн-Мк. Введено поняття критичної точки Мк (Мк Мк Мн ), як температури нижче якої не утворюється мартенсит напруження (утворюється мартенсит деформації) у сплавах з ДМП при випробуваннях (ДМПВ). Величина деформаційного зміцнення ( = пч - о,з) лінійно залежить від кількості мартенситу деформації (), що утворюється в зразках до кінця випробувань ( = о + о + k), а коефіцієнт деформаційного зміцнення (Кg) лінійно пов’язаний з інтенсивністю ДМПВ (I): Кg=КI + Кgo. У свою чергу складова деформаційного зміцнення, обумовлена ДМПВ () і інтенсивність деформаційного зміцнення (ДЗ) визначаються хімічним складом метастабільного аустеніту й адитивністю внесків механізмів твердорозчинного (т.р.), дислокаційного (), субграничного (г) і дисперсійного (ч) зміцнення мартенситу деформації, що утворюється:

= т.р + + г + ч (1)

З цих складових визначається межа міцності метастабільних сплавів (пч = 0,3 + 0 + ). Складова деформаційного зміцнення фазово-стабільних сплавів і станів (0) відносно невелика (50-600 МПа), а може досягати 700-1300 МПа в залежності від хімічного складу, ступеня зміцнення метастабільного аустеніту й обсягу мартенситу деформації, що утворюється. Пластичність метастабільного сплаву при деформації крутінням зворотно пропорційна показнику крутизни мартенситної кривої деформації (В) і пропорційна логарифму повноти ДМПВ:

g = gо + B-1 lnA/(А-) + gо (2)

де gо і gо – складові відносного зрушення, що відповідають початку ДМПВ і

умовам абсолютної фазової стабільності;

А – максимальна кількість мартенситу деформації здатного утворитися

при випробуваннях (для опуклих мартенситних кривих).

Для Fe-Cr-Mn сталей аустенітно-мартенситного класу (високоміцних) і аустенітно-феритного класу ударна в’язкість (КСU і КСV) лінійно залежить від кількості мартенситу деформації, що утворюється в зламах зразків. Таким чином, умовою підвищення комплексу міцнісних, пластичних властивостей, ударної в’язкості і зносостійкості метастабільних сплавів є найбільший об’єм розвитку ДМПВ при одночасно мінімальній його інтенсивності (крутизні мартенситної кривої).

4) принцип підвищення енергоємності, що полягає в тому, що метастабільні сплави при навантаженні здатні поглинати значну частину механічної енергії, що підводиться ззовні, за рахунок реалізації ДФП. Установлено, що незалежно від схеми і характеру навантаження, ДФП що розвиваються, через силу двоїстого, зміцнююче-релаксаційного їхнього механізму, не стільки власне поглинають енергію зовнішнього впливу (Е), як це представлялося раніше, скільки використовуються сплавом як механізми розгалуження дисипації енергії, збалансованого перерозподілу енерговитрат і збільшення статей енергетичного балансу на деформаційне зміцнення (ЕДУ), рух дислокацій (ЕД), зародження і розвиток тріщин (Ер) і, власне, на перетворення (ЕДФПИ = ЕДМПИ + ЕДДС +…):

Е = (ЕДУ+ЕДУ+ЕДУ) + (ЕД+ЕД+ЕД) + (ЕР ЕР ЕР) + ЕДМПИ + ЕДДС +...+Ет (3)

де ЕДУ, ЕД, ЕР і ЕДУ, ЕД, ЕР – складові енерговитрат, обумовлені ДМПВ і

ДДС, відповідно;

Ет – енергія теплового розсіювання.

При оптимальній кінетиці реалізовані ДФПВ дозволяють багаторазово збільшувати енергоємність і підвищувати механічні і службові властивості метастабільних сплавів;

5) відповідно до принципу синергізму (самоорганізації) і побудованої ієрархічної моделі дисипації, механічною енергією що підводиться ззовні, в процесі еволюції фазово-структурного стану, метастабільні сплави відрізняються більш високим рівнем самоорганізації, пов’язаним з розгалуженістю системи дисипації, перерозподілу і взаємопосилення енерговитрат. Ступінь перерозподілу і дисипації енергії, що підводиться ззовні, посилення зміцнюючих, пластифікуючих або механізмів гальмування розвитку тріщин, визначаються як природою сплаву, так і кінетичними параметрами ДФП, які реалізуються при випробуваннях і експлуатації. Підвищена енергоємність і синергізм адитивних внесків різних механізмів забезпечують підвищений комплекс властивостей (найчастіше аномально високих показників) метастабільних сплавів;

6) принцип комплексності полягає в комплексному використанні основних механізмів зміцнення, пластифікації і формування спеціальних властивостей (зносостійкості, корозійної, жаростійкості та ін.) у поєднанні з механізмами ДФП;

7) принцип ощадливого легування і взаємозамінності легуючих елементів при проектуванні нових метастабільних сталей і чавунів передбачає використання недефіцитних в Україні недорогих легуючих компонентів (Cr, Mn, Ti, Al і ін.) і повну взаємозамінність таких елементів як Ni і Mn, Mo і Ti і ін., з обов’язковим урахуванням специфічних особливостей і взаємного їхнього впливу;

8) принцип гетерогенізації аустеніту – обмеженим розчиненням або навпаки – виділенням надлишкових фаз в аустеніті (на відміну від загальноприйнятої його гомогенізації при термообробці), створенням мікронеоднорідності твердого розчину, що забезпечують сукупність переваг структуроутворення при наступних мартенситних перетвореннях зі збереженням метастабільного залишкового аустеніту. Він використаний при проектуванні екстремальних (нерівноважних) технологій зміцнення.

Узагальнення великої кількості експериментальних даних з розроблених (10-40)Х14Г7С(0,5-2); 30Х(2-8)Г6С2Ф; 08Х(14-22)Г6СФ і ін.) і стандартних (6ХС, 55С2, 45ХН2МФА, Х12М, Х12Ф1, 20Х13 і ін.) сталей і чавунів (ВЧ52, ЧХ19Г4Д2 і ін.), які містять різні кількості метастабільного аустеніту дозволило установити загальні кінетичні закономірності ДМП від вихідної кількості метастабільного аустеніту, що не залежать від системи легування, структурного класу і призначення сплавів, причин зміни фазового складу під впливом різних факторів. Кінетика ДМПВ за інших рівних умов визначається одержуваною кількістю метастабільного аустеніту і закономірно змінюється при відхиленні фазового складу під впливом кожного з факторів відповідно до загальної кінетичної мартенситної кривої. Максимальна початкова інтенсивність ДМПВ відповідає ~50 %, а найбільша кількість, що утворюється при випробуваннях мартенситу деформації – 75-80 % аустеніту. Ці закономірності визначають підвищений комплекс механічних властивостей двофазних і гетерофазних метастабільних сплавів і станів у порівнянні з однофазними.

Установлено, що при однаковій кількості і ступені метастабільності аустенітної фази реверсування деформації крутінням, збільшення її швидкості і зменшення жорсткості навантаження (розтягання, прокатка, крутіння) знижують інтенсивність ДМПВ і кількість мартенситу деформації, що утворюється. При циклічному знакозмінному крутінні зміна напрямку деформації в точності відтворює кінетику й інтенсивність ДМПВ на співпадаючих по напрямку стадіях навантаження. Витримка під напругами в залежності від їхньої величини і кількості отриманого мартенситу деформації може, як гальмувати, так і активізувати ДМПВ. Умови навантаження істотно впливають на властивості метастабільних сплавів, що необхідно враховувати в реальних умовах їх експлуатації.

Високоміцні безнікелеві метастабільні сталі і способи зміцнення. З метою економії гостродефіцитних компонентів (Ni, Mo, Co, Nb) при одночасному поліпшенні комплексу властивостей на основі проведених систематичних досліджень розроблені безнікелеві високоміцні сталі: хромомарганцеві Fe – 14 % Cr – 7 % Mn – (0,5-2) % Si - (0,1-0,4) % C (а.с. 1723185 і 177040); Fe – (2-8) % Cr – 6 % Mn – 0,3 % C і марганцевисті 20Г7С(1-2)Т (а.с. 1717665) аустенітного, аустенітно-мартенситного і мартенситного класів.

Збільшення вмісту вуглецю (0,1-0,4 %) і кремнію (0,4-2 %) у сталях 10Х14Г7, хрому (2-8 %) у сталях 30Х2Г6С2Ф викликає зниження мартенситних точок Мн, Мк і збільшує з 15 до 100 % кількість метастабільного аустеніту поряд з мартенситом. При цьому початкова інтенсивність ДМПВ крутінням збільшується до максимуму при вмісті ~40-60 % мартенситу загартування (сталі 17Х13Г7С и 30Х4Г6С2Ф), а потім зменшується до 0 (сталі (20-40)Х14Г7 і 30Х6Г6С2Ф). При підвищенні вмісту вуглецю в межах 0,2-0,4 % і хрому 6-8 % у відповідних сталях середня інтенсивність ДМПВ і приріст мартенситу деформації зменшуються. Під впливом вуглецю і хрому знижуються міцнісні властивості і неоднозначно змінюються пластичні, що обумовлено зменшенням вмісту мартенситу загартування і зміною кінетики ДМПВ. Вплив легуючих елементів на механічні властивості високоміцних двофазних сталей виявляється через зміну фазового співвідношення між мартенситом і аустенітом, що визначає кінетику ДМПВ. Підвищення пластичності відбувається при невисокій інтенсивності ДМПВ з малою крутизною мартенситних кривих деформації (сталі 20Х14Г7, 30Х6Г6С2Ф, 30Х8Г6С2Ф). Зі збільшенням вмісту кремнію міцнісні і пластичні властивості сталей 17Х13Г7С в цілому змінюються по кривих з максимумами, що відповідають ~1 % Si, вмісту аустеніту і мартенситу ~50/50, найбільш активній кінетиці ДМПВ з утворенням 45-50 % мартенситу деформації.

Регулювання фазового складу, ступеня метастабільності аустеніту, кінетики його ДМПВ і керування властивостями розроблених сталей здійснюється зміною температури нагрівання під загартування (850-1200 С) і часом витримки (10-60 хв.), умовами охолодження після аустенітизації (у воді, олії, на повітрі, з піччю), температурно-часовими параметрами відпуску (200-600 С, = 0,5-6 годин.), розробленими новими способами загартування зі східчастим нагріванням (500-800 С1100 С), східчастим охолодженням (1000 С600-100 С, = 0,5-2 години) і іншими способами термообробки. Це пов'язано з збагаченням, або навпаки, збіднінням аустеніту вуглецем і легуючими елементами при розчиненні або виділенні карбідів, закріпленням дислокацій, зменшенням внутрішніх напружень та іншими фізико-хімічними факторами, що впливають на стабільність -фази. У сталі 30Х2Г6С2Ф після загартування з 1000 С і відпуску при 200 С, яка містить 15-25 % метастабільного Азал, отримано високий комплекс властивостей: в=1920 МПа; 0,2=1460 МПа; =17 %; =61 %.

Розроблені комбіновані способи обробки, що включають холодну деформацію, старіння (а.с. 1765206) або загартування і відпуск дозволяють додатково зміцнювати фази, у досить широких межах регулювати фазовий склад і кінетику наступного ДМПВ, що забезпечує при оптимальних режимах підвищення комплексу механічних властивостей хромомарганцевих сталей. Наприклад, у сталі 20Х14Г7 після ХПД (54 %), старіння 250-300 С 2 г. отримані такі властивості: пч=1470 МПа, 0,3 =1310 МПа; g=49 %. Попередня деформація реверсивно випробуванням крутінням (пат. України 15465 А) дозволяє підвищити пластичність аустенітно-мартенситних сталей 15Х14Г7 і 17Х13Г7С на 15-25 % при збереженні високої міцності.

Марганцевисті сталі 20Г7С(1-2)Т мартенситного класу розроблені спеціально для одержання в їхній структурі Азал чи Авт способами термообробки. За допомогою загартування зі східчастим охолодженням на повітрі, наприклад, при 400 С в сталях зберігається 18-22 % метастабільного Аост, ДМПВ якого дозволяє підвищити комплекс міцнісних і пластичних властивостей до пч=1250-1300 МПа; 0,3 =720-760 МПа; g=68-84 %. Після регламентованого нагрівання загартованої сталі 20Г7СТ у () області при 620 С, 7 хв. (за способом пат. України 12555 А) утворюється 17 % Авт підвищеної стабільності, що викликає ефект надпластичності (g=120 %), обумовленої вт ДМПВ з низькою інтенсивністю у поєднанні з досить високою міцністю пч=1150 МПа.

З комплексу механічних властивостей (в=1500-1900 МПа; 0,2 =1100-1250 МПа; =12-18 %; =44-54 %; KCU=0,8-1,6 МДж/м2) після раціональних режимів термообробки розроблені хромомарганцеві стали перевершують дорогі хромонікелеві високоміцні сталі типу 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6 та ін., і можуть розглядатися як альтернативні для їхньої ефективної заміни.

Способи формування високоміцних метастабільних станів сплавів на основі принципу гетерогенізації аустеніту. Для розробки нових технологій зміцнення, заснованих на створенні нерівноважних умов гетерогенізації аустеніту, виконано фізико-математичне моделювання процесів неповного розчинення і виділення карбідів в аустеніті в різних температурно-часових умовах.

У кінцевому вигляді відповідно до побудованої моделі розміри карбідних часток, що розчиняються за час , і час зменшення їхнього розміру від r0 до ri в залежності від температури:

, (4)

. (5)

При цьому середні відстані між частками в гетерогенному аустеніті складуть:

, (6)

де С0, Сp, Ск – граничні концентраційні параметри елементів;

D0 - передекспоненційний множник;

Q – енергія активації процесу дифузії;

R – універсальна газова постійна;

Т – абсолютна температура;

D – коефіцієнт дифузії.

Модель виділення карбідів розміром ri з переохолодженого аустеніту за час побудована з урахуванням рішення Зінера стосовно до тривимірного зростання сферичного виділення часток:

(7)

де С0, Ср, Ск – граничні концентраційні параметри елементів;

а – дійсний коефіцієнт росту при зміні концентрації Со від Ср до Ск.

Адекватність моделей підтверджена експериментальними результатами.

З використанням побудованих моделей і виконаних розрахунків обмеженого розчинення (виділення) карбідів для високоміцних сталей аустенітно-мартенситного і мартенситного класів розроблені технологічні схеми і режими термообробки, засновані на одержанні нерівноважних станів гетерогенного аустеніту (рис.). Загальними для всіх розроблених способів є подрібнення зерна, диспергування структури мартенситу пов'язане зі збільшенням швидкості зародження й одночасно обмеженням росту мартенситу, збагачення вуглецем і хромом мікрообластей навколо частково розчинених карбідів, збереження підвищеної кількості метастабільного Азал, армованих високодисперсними карбідами і карбонітридами. Сукупність отриманих фазово-структурних переваг і забезпечує істотне підвищення комплексу механічних властивостей і зносостійкості високоміцних, конструкційних і інструментальних сталей і чавунів. Швидкісне високотемпературне загартування здійснюється нагріванням СВЧ до 1100-1400 С , (а.с. 1782243, пат. України 4337) чи в соляній ванні до1250-1300 С (пат. РФ 2005799, пат. України 21001А) зі швидкостями нагрівання 70-100 С/с і 30 С/с відповідно (рис., а, б). Зі збільшенням часу і, відповідно, температури нагрівання в області (Агет + К) підсилюється ступінь розчинення і гетерогенізації аустеніту, кількість Азал., що зберігся. Міцнісні і пластичні властивості й ударна в’язкість сталей при цьому змінюються за кривими з максимумами, що звичайно збігаються і відповідають часу наскрізного нагрівання СВЧ 17-17,5 с (температура 1300-1400 С), у соляній ванні - 20-45 с (температура 1250-1300 С) без витримки. У результаті при збереженні 20-22 % Азал і поступовому його ДМПВ, наприклад, у сталях 20Х13, 30Х13 досягається підвищений рівень властивостей: в = 1620-1680 МПа; 0,2 = 1210-1310 МПа; = 13-15 %; = 37-53 %; KCU = 0,4-1,0 МДж/м2.

Низькотемпературне загартування з обмеженою аустенітизацією у (Агет + К) області при температурах усього на 10-40 С вище точки Ас3 (Ак) (830-950 С в залежності від марки сталі) (рис., в) передбачають лише часткове розчинення карбідів і гетерогенізацію аустеніту. Температурою нагрівання і часом витримки регулюється ступінь розчинення карбідів Ме23С6 в аустеніті і його гетерогенність. Це викликає зниження критичної точки Мн, наприклад, для сталі 10Х14АГ6 на 30-40 С, що збільшує вміст Аост. Механічні властивості високоміцних сталей (10Х14Г3, 15Х14Г7 і ін.) від часу витримки при кожній температурі низькотемпературної аустенітизації змінюються екстремально. При оптимальних режимах вдається одночасно підвищити їхні міцнісні і пластичні властивості, а також у 2,5 рази зносостійкість сталі Х12М.

Загартування зі східчастим нагріванням передбачає попередню витримку в міжкритичному (К) чи докритичному (К) інтервалах з перерозподілом легуючих елементів між - і -фазами, коалесценцією карбідів і остаточну гетерогенізацію аустеніту на завершальній стадії нагрівання при 1100 С, = 3-4 хв; з наступним охолодженням в олії (рис., д) (а.с. 1636458, пат. РФ 2002819). У цілому таке загартування стабілізує аустеніт за рахунок збагачення його марганцем, вуглецем, а також гетерогенізації аустеніту, що дозволяє одержувати метастабільні стани Азал у сталях мартенситного класу (30Х13, 20Х13, 20Г7СТ і ін.) і трохи збільшувати його кількість в аустенітно-мартенситних сталях (17Х13Г7; 30Х(2-6)Г6С2Ф). Механічні властивості в залежності від температури попередньої витримки змінюються по кривих із двома максимумами, що відповідають нагріванню в докритичний () і міжкритичний () інтервали. Наприклад, загартування зі східчастим нагріванням при 720 С в (К) інтервалі з збереженням 16 % Азал дозволяє одержати в сталі 30Х13 дуже високий комплекс властивостей: в = 1820 МПа; 0,2 = 1510 МПа; = 10 %; = 41 %.

Розроблено нову технологію загартування зі східчастим охолодженням на повітрі, (на відміну від загальноприйнятого східчастого