Механические свойства при отрицательных температурах мартенситностареющей стали ЧС4-ВИ в закаленном состоянии

Мартенситностареющие стали являются перспективными конструкционными материалами для изготовления изделий, работающих при отрицательных температурах [1 – 4].

Основным преимуществом безуглероди-стых мартенситностареющих сталей является их необычно высокая вязкость разрушения, в том числе, и при отрицательных температурах, что определяется прежде всего свойствами матрицы – железоникелевого мартенсита с содержанием 12 – 18% никеля. Такой мартенсит в отличие от мартенсита, содержащего углерод в твердом растворе, имеет сравнительно низкую прочность, высокую пластичность и вязкость, а также низкий коэффициент упрочнения при холодной пластической деформации.

В настоящей статье представлены данные о влиянии температуры испытания от плюс 20 °С до минус 196 °С на изменение прочности, пластичности, ударной вязкости и сопротивления концентрации напряжений стали ЧС4-ВИ в закаленном состоянии без последующего старения, когда эта сталь имеет наибольшую пластичность и наибольшую вязкость.

Сталь ЧС4-ВИ (типа Н18К9М5Т) была выплавлена в промышленной вакуумной индукционной печи. Образцы изготавливались из кованых прутков сечением 14x14 мм.

Температура ковки – 1100 – 850 °С. Охлаждение прутков после ковки и при закалке от 820 °С 1 час происходило на воздухе.

В закаленном состоянии исследованная сталь имела практически полностью мартенситную структуру. По данным рентгеноструктурного анализа содержание у - фазы не превышало 3 %.

Механические свойства при растяжении определяли на цилиндрических пятикратных образцах диаметром 5 мм. Чувствительность к надрезу определяли при испытании на растяжение цилиндрических образцов диаметром 7 мм с кольцевым надрезом (глубина надреза - 1 мм, радиус в вершине надреза – 0,1 мм, угол раскрытия – 60 градусов). Чувствительность исследованной стали к действию концентрации напряжений оценивали по значению временного сопротивления надрезанных образцов и величине коэффициента о н чувствительности к надрезу а = ^в/_а [ 5 ]. Ударную вязкость определяли при испытании образцов, изготовленных по ГОСТ.

Механические свойства стали ЧС4-ВИ в закаленном состоянии при испытании на статическое растяжение и динамический изгиб в интервале температур от плюс 20 °С до минус 196 °С приведены в таблице1. Из данных этой таблицы следует, что с понижением температуры испытания предел текучести и временное сопротивление закаленной стали ЧС4-ВИ значительно повышаются. Так при температурах испытания минус 60 °С, минус 100 °С и минус 196 °С эти прочностные характеристики увеличиваются в среднем на 147, 196 и 490 Н/мм2 (15,20 и 50 кгс/мм2) соответственно. Для сравнения можно отметить, что применяемые в криогенном машиностроении низкоуглеродистые никельсодержащие стали 0Н6 и 0Н9, например, при температуре минус 196 °С упрочняются только на 274 – 372 Н/мм2 (28 – 38 кгс/мм2) [6].

Таблица 1 - Механические свойства стали ЧС4-ВИ в закаленном состоянии при отрицательных температурах

Предел текучести и временное сопротивление исследованной стали с понижением температуры испытания увеличиваются практически одинаково. Отсутствие опережающего увеличения временного сопротивления по сравнению с пределом текучести при отрицательных температурах испытания свидетельствует о том, что при низкотемпературной деформации закаленной стали ЧС4-ВИ не происходит превращения остаточного аустенита в мартенсит. Следовательно, большое упрочнение закаленной стали ЧС4-ВИ с понижением температуры не связано с фазовым превращением в процессе испытания на растяжение при низких температурах.

С понижением температуры испытания полное относительное удлинение стали увеличивается за счет увеличения равномерной составляющей. Равномерное удлинение закаленной стали ЧС4-ВИ при комнатной температуре относительно небольшое - 2,5...3,0 %. Поэтому при понижении температуры испытания до -196° С полное относительное удлинение этой стали увеличивается сравнительно мало (с 15,2 % до 18,3 %).

Относительное сужение закаленной стали ЧС4-ВИ при понижении температуры испытания до -196 °С уменьшается менее чем на 10 %.

При испытании на растяжение образцов с кольцевым надрезом временное сопротивление -стВ1 закаленной стали ЧС4-ВИ повышается с понижением температуры и достигает наибольшего значения при температуре минус 196 °С. При он этом отношение в /у при всех температурах испытания больше 1,5, что указывает на малую чувствительность закаленной стали ЧС4-ВИ к концентрации напряжений при одноосном растяжении.

Интенсивность уменьшения ударной вязкости исследованной стали с понижением температуры при испытании образцов с круглым и с острым надрезом практически одинаковая, а в случае испытания образцов с усталостной трещиной примерно в 1,5-2 раза большая. Ударная вязкость закаленной стали ЧС4-ВИ при температуре жидкого азота высокая: KCU =98,1 Дж/см2 (10 кгс^м/см2), KCV = 87,3 Дж/см2 (8,9кгс^м/см2), КСТ =43,1 Дж/см2 (4,4 кгс^м/см2), что указывает на высокую хладостойкость этой стали.

При температурах испытания от плюс 20 °С до минус 196 °С макрорельеф поверхности излома ударных образцов с круглым и острым надрезом и с трещиной вязкий, матовый, что наглядно свидетельствует об осуществлении интенсивной локальной пластической деформации металла в процессе разрушения.

Вывод

• 1    Мартенситностареющая сталь ЧС4-ВИ в закаленном состоянии с пределом текучести равном 951 Н/мм² (97кгс/мм2) при комнатной температуре обладает большим запасом пластичности и вязкости и высоким сопротивлением концентрации напряжений при растяжении и при динамическом изгибе в интервале температур испытания от плюс 20 °С до минус 196 °С (при минус 196 °С: v = 73 %; ^а“ /_ав = 1,52; КСТ = 43,1 Дж/см² (4,4кгс-м/см²).