Wpływ austenityzowania na ciągliwość i odporność na pękanie stali

W pracy badano wpływ różnych zabiegów cieplnych w zakresie wysokich wartości temperatury austenityzowania na własności wytrzymałościowe i odporność na pękanie stali X2NiCoMo18-9-5. Stal w stanie niestarzonym charakteryzuje się bardzo wysoką ciągliwością w próbie rozciągania, nawet gdy ma bardzo duże ziarno byłego austenitu po specjalnej obróbce cieplnej w zakresie austenitycznym.

Konstrukcyjne stale martenzytyczne umacniane wydzieleniowo znajdują zastosowanie jako odpowiedzialne elementy nośne (np. podwozia samolotów), w przypadku których wymagana jest zarówno wysoka wytrzymałość (zwykła i zmęczeniowa), jak i plastyczność oraz odporność na pękanie. Charakteryzują się one tym, że po austenityzowaniu mają plastyczną osnowę niskowęglowego martenzytu o względnie niskiej wytrzymałości, a wysoką wytrzymałość uzyskują dopiero w procesie umocnienia wydzieleniowego, podczas starzenia w temperaturze około 500°C.

Pomimo tego, że badana w niniejszej pracy stal X2NiCoMo18-9-5 na ogół spełnia te wymagania, niekiedy jednak przy wytwarzaniu dużych elementów pojawiają się problemy z uzyskaniem odpowiednich własności plastycznych [1], a jedną z przyczyn może być długi czas obróbki w zakresie wysokich wartości temperatury. W celu analizy tego zagadnienia zaprojektowano kilka wariantów obróbki cieplnej w zakresie austenitycznym i badano zależności między ciągliwością a wytrzymałością oraz odpornością na pękanie. Stal X2NiCoMo18-9-5 oznaczana jest również jako N18K9M5T lub MS250 (w literaturze anglosaskiej), a jej odpowiednik znajduje się w normie EN [2].

Metodyka badań

Badania odporności na kruche pękanie wykonano zgodnie z procedurą podaną w normie ISO/DIS [3], stosując próbki do trójpunktowego zginania. W trakcie próby zginania rejestrowano jednocześnie obciążenie i rozwarcie dna karbu (wykres siła – ugięcie) za pomocą tensometru i rejestratora.
W badaniach własności wytrzymałościowych oprócz typowych parametrów (tj.: Re, Rm, A5 i Z) określano również naprężenie pękania (sf), tj. wartość stosunku Rm do pola przekroju zerwanej próbki. Ponadto obliczano odkształcenie rzeczywiste (ciągliwość) zerwanej próbki wytrzymałościowej (ef), zdefiniowane jako ln(Ao/Af), gdzie Ao i Af to odpowiednio pole przekroju początkowego i pole przekroju końcowego próbki. Wszystkie wymienione badania wykonano w Instytucie Metalurgii Żelaza (IMŻ) w Gliwicach.

Materiał do badań

Przedmiotem badań była stal typu maraging X2NiCoMo18-9-5 o składzie chemicznym zamieszczonym w tab. 1. Jest to stal bardzo czysta, wytworzona w podwójnym procesie próżniowym (wytop próżniowy z następującym przetopem próżniowym, „ppi + ppł”) w HZWD-Mikrohuta.

Wyniki badań i ich omówienie

Własności wytrzymałościowe – wpływ obróbki cieplnej w zakresie austenitycznym
Opracowano trzy sposoby (warianty) obróbki cieplnej stali X2NiCoMo18-9-5 w zakresie austenitycznym (oznaczone jako: vS, vA i vB), które pokazano schematycznie na rys. 1. Wariant vS polega na nagrzaniu stali do temperatury w zakresie austenitycznym, wytrzymaniu w ciągu godziny i chłodzeniu w wodzie. W pozostałych dwóch wariantach austenityzowanie było poprzedzone homogenizowaniem w temperaturze 1225°C w ciągu godziny. Przy czym wariant vA polega na homogenizowaniu z chłodzeniem w wodzie do temperatury pokojowej, a następnie nagrzaniu do temperatury w zakresie od 625 do 1225°C, wytrzymaniu w ciągu godziny i chłodzeniu w wodzie. Z kolei wariant vB polega na nagrzaniu stali do temperatury homogenizowania, przyspieszonym chłodzeniu w powietrzu (stosowano wentylator) do temperatury austenityzowania, wytrzymaniu w tej temperaturze w ciągu godziny i chłodzeniu w wodzie. Przy okazji należy wspomnieć, że w przypadku stali typu maraging austenityzowanie z następującym chłodzeniem jest też określane jako przesycanie.

Badania własności mechanicznych stali wykonano po każdej obróbce cieplnej zgodnie z opisanymi wariantami (stal w stanie niestarzonym) oraz po dodatkowym zabiegu (niepokazanym na rys. 1), polegającym na starzeniu w 480°C w czasie 3 godz. Granica plastyczności i wytrzymałość stali w stanie niestarzonym prawie nie zależały od zastosowanej obróbki cieplnej i wynosiły odpowiednio około 800 MPa i 1000 MPa. Na rys. 2 pokazano jedynie rzeczywiste odkształcenie pękania, ef, próbek niestarzonych po austenityzowaniu według trzech wariantów obróbki cieplnej (rys. 1), natomiast pełne wyniki z próby rozciągania można znaleźć w [1].

Można uznać, że odkształcenie pękania, ef, słabo zależy od zastosowanych obróbek cieplnych, jeżeli pominie się wyniki dla niepełnego austenityzowania (tzn. w zakresie dwufazowym, po lewej stronie pionowej linii przerywanej na rys. 2), które nie były przedmiotem zainteresowania tej pracy. Na rys. 3-5 zamieszczono wyniki badań własności mechanicznych stali po przesycaniu według trzech wariantów obróbki cieplnej (rys. 1) i starzeniu w 480°C w czasie 3 godz. Oprócz typowych własności mechanicznych, tj.: Re, Rm, Z i A5, zamieszczono dodatkowo naprężenie pękania, sf, oraz rzeczywiste odkształcenie pękania, ef. Granica plastyczności stali starzonej jest na ogół wyższa od 1600 MPa, przy czym niższe wartości występują tylko po dwukrotnym homogenizowaniu.

Galeria

Zobacz więcej