СТАРЕЮЩАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
AGEING AUSTENITE STEEL WITH SHAPE MEMORY

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стареющим сплавам на основе железа, в частности к стареющей аустенитной стали, обладающей эффектом памяти формы (ЭПФ). Изделия из сталей с ЭПФ можно использовать в качестве муфт при бесшовном соединении трубопроводов и топливопроводов, в качестве силовых блоков в различного рода охранной и противопожарной автоматике.
ЭПФ проявляется в частичном восстановлении (вспоминании) формы или размеров после нагрева предварительно деформированного, например путем изгиба, образца. Причиной таких изменений является развитие прямого мартенситного превращения γ-ε при холодной деформации и обратного ε-γ превращения при последующем нагреве, что вызывает полное или частичное восстановление формы, которую имел образец перед исходной холодной деформацией.
Сплавы с ЭПФ находят применение в современной технике. Особый интерес среди известных материалов вызывают сплавы на основе железа и стали как наиболее дешевые и технологичные в изготовлении.
в
0,2
Важными характеристиками сталей с ЭПФ являются величина обратимой деформации и усилие при разгибе в процессе восстановления формы, которое зависит от прочностных характеристик. Значение ЭПФ соответствует величине обратимой деформации при нагреве и определяется углом разгиба φ предварительно согнутого материала. Прочностные свойства характеризуются временным сопротивлением разрыву σ и условным пределом текучести σ.
Другим не менее важным свойством, которым должна обладать сталь, является повышенная пластичность. Она нужна как при производстве изделий из ЭПФ-сталей с помощью холодной деформации, так и для осуществления деформационно-индуцированного γ-ε превращения с целью последующей реализации эффекта памяти формы в процессе нагрева. Высокий запас пластичности (относительного удлинения δ) в ЭПФ-сталях, как и в других конструкционных материалах, необходим также для предотвращения преждевременного разрушения нагруженных изделий. Необходимо, чтобы повышение пластичности стали сопровождалось сохранением достаточно высоких значений обратимой деформации и не приводило к большому снижению прочностных характеристик.
в
0,2
Среди известных функциональных материалов отсутствуют стали, которые одновременно обладали бы необходимыми прочностными характеристиками (σ=1000-1150 МПа, σ=650-750 МПа), пластическими свойствами (δ=30-40%) и высокими значениями ЭПФ (с углом разгиба φ не менее 130-150°).
0,2
Известны аустенитные стареющие стали, близкие по составу к предлагаемой. Сталь, содержащая, мас.%: 0,15-0,25 С, 17-19 Mn; 2-2,5 Si; 1,1-1,5 V и Fc - остальное (авт.св. СССР №1101465), в состаренном состоянии обладает низкими прочностными характеристиками из-за недостаточного количества углерода (предел текучести σ=549-630 МПа) и пониженными значениями обратимой деформации (угол разгиба φ согнутого в кольцо образца составляет 80° и меньше при максимально возможном угле разгиба в реальных ЭПФ сталях до 150°).
Сталь, содержащая 0,4-0,6 С; 15-25 Mn; 3,5-4,5 Cr; 0,9-1,7 V; 0,05-0,15 Zr; 0,05-0,15 Nb, 0,05-0,16 N (авт.св. СССР №981436), обладает удовлетворительными механическими характеристиками (прочностью и пластичностью), но в отсутствие кремния и оптимального легирования имеет низкие значения величины обратимой деформации (угол разгиба φ=40-60%).
Недостатком известных сталей является отсутствие сочетания высоких механических характеристик и необходимых значений обратимой деформации. Эти стали не могут быть использованы в качестве высокопрочных материалов с ЭПФ.
в
в
Наиболее близкой к заявляемой по составу (табл 1, п.5), технической сущности и достигаемому результату является стареющая аустенитная сталь, содержащая, мас.%: 0,25-0,50 С; 16-25 Mn; 1-3 Si; 1.1-3 V; 0,1-3 W; 0,1-3 Mo; 0,1-1,0 Nb; остальное Fe (патент РФ №2270267). В этой стали достаточно велика величина обратимой деформации при нагреве, определяемая углом разгиба φ предварительно согнутого в цилиндр листового образца, равная 110-150 градусов (см. п.5, табл.2). Эта сталь в результате выделения карбидов VC при 650°С обладает хорошими прочностными характеристиками (σ в упрочненном старением состоянии составляет обычно 1060-1194 МПа, табл.2). При максимальном количестве легирующих элементов (0,5% С, 3% W и 3% V) в этой стали σ увеличивается до 1320 МПа, но резко падает пластичность (относительное удлинение δ) до 15%.
Недостатком этой стали являются малые величины относительного удлинения (16-29%, см. п.5, табл.2), что снижает возможности производства и эксплуатации изделий. Таким образом, и эта сталь не обладает всем необходимым комплексом параметров, присущим ЭПФ-сталям.
В основу изобретения положена задача повышения пластических свойств стали в упрочненном состоянии при сохранении высоких прочностных характеристик и величины обратимой деформации путем оптимизации состава и дополнительного легирования.
Поставленная задача решается тем, что стареющая аустенитная сталь с памятью формы, содержащая железо, углерод, марганец, кремний, молибден и ванадий, согласно изобретению дополнительно содержит галлий, бор и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,27-0,50
Марганец
14-18
Кремний
2,0-3,0
Ванадий
1,6-3,0
Молибден
0,1-1,9
Хром
0,1-4,0
Галлий
0,1-0,5
Бор
0,001-0,003
Железо
Остальное
причем отношение содержания ванадия к содержанию углерода в сплаве должно быть не менее 5, что необходимо для формирования нужного количества наноразмерных карбидов VC для упрочнения и повышения величины обратимой деформации, а суммарное содержание марганца и хрома - не менее 16 мас.% для получения оптимального количества ε-мартенсита деформации и высоких значений ЭПФ.
Для повышения пластичности сталь легировали небольшим количеством галлия, который образует галлийсодержащие частицы и уменьшает размер зерна при высокотемпературной обработке. Положительное влияние галлия на пластичность сплавов недавно было отмечено в журнале ФММ, 2008, т.106, в.5, с.489-497.
Одновременно было проведено микролегирование стали горофильным элементом бором, вытесняющим с границ зерен нежелательные примеси, что позволяет уменьшить выделение зернограничных фаз и улучшить механические свойства (см. монографию «Бор, кальций, ниобий, цирконий в чугуне и стали», Перевод с англ., 1961, Металлургиздат, Москва, 460 с.).
Было выполнено дополнительное легирование аустенитной стали хромом, который снижает энергию дефектов упаковки и способствует образованию ε-мартенсита при малых степенях деформации, что чрезвычайно важно для получения высоких значений обратимой деформации.
Легирование хромом позволяет снизить минимальное возможное содержание марганца до 14%, что благоприятно сказывается на улучшении экологической обстановки при выплавке стали. Кроме того, повышенное содержание Cr в стали делает эти стали более короззионностойкими.
Для дополнительного увеличения пластичности предлагаемой ЭПФ-стали (по сравнению с прототипом) из ее состава были исключены такие сильные карбидообразующие элементы, как Nb и W, а содержание молибдена было ограничено 1,9 мас.%. Для сохранения высоких прочностных характеристик в предлагаемой стареющей стали концентрация углерода должна быть не ниже 0,27 мас.%.
Свойства прототипа (п.5, табл.2) в зависимости от изменения его состава (п.5, табл.1) взяты из описания патента РФ №2270267.
В таблице 1 приведены составы предложенной аустенитной стареющей стали (1-4) и известной стали 5 (прототип), мас.%.
Таблица 1
Сталь
С
Mn
Si
V
Cr
Ga
В
W
Nb
Мо
Fe
1
0,5
14.0
2,5
2,5
4,0
0,1
0,003
-
-
0,1
Ост
2
0,5
14,0
3,0
3,0
4,0
0,1
0,003
-
-
1,0
Ост.
3
0,27
17,0
2,5
1,6
0,1
0,15
0,002
-
-
1,9
Ост.
4
0,4
18,0
2,0
2,0
1,0
0,5
0,001
1,0
Ост.
5 (прототип)
0,25-0,5
16-25,0
1,0-3,0
1,1-3,0
0,1-3,0
0,1-1,0
0,1-3,0
Ост.
в
0,2
В таблице 2 приведены механические свойства (относительное удлинение δ%, временное сопротивление σ, предел текучести σ) и величины ЭПФ (углы разгиба образцов φ при нагреве) предлагаемой стали (1-4) и прототипа (5).
Таблица 2
Сталь
Относит. удлинение δ,%
Временное сопротивл. σ<sub>в</sub>, МПа
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>, МПа
Велич. ЭПФ (угол φ), градусы
Режим термообработки
1
40
1173
678
120
Закалка от 1150°С (З) + Старение (С) - 650°С, 12 ч.
2
30
1174
784
150
З+С (650°С, 12 ч.)
3
44
1080
704
146
З+С (650°С, 12 ч.)
4
31
1006
768
137
З+С (650°С, 12 ч.)
5, прототип
16-29
1060-1194
730-924
110-150
З+С (650°С, 12 ч.)см. А.С. №2270267
Испытания предложенной стали проводили после закалки от 1150°С на воздухе с последующим старением при 650°С (выдержка 12 ч.). Предварительно, с помощью горячей и холодной прокатки, из всех сталей были изготовлены стандартные образцы для измерения механических свойств и пластины толщиной 1,35 мм, шириной 10 мм и длиной 200 мм для измерения величины обратимой деформации. Состаренные пластины загибали в кольца при комнатной температуре и нагревали до 500°С с целью измерения величины обратимой деформации (величины ЭПФ) по углу разгибания колец φ, аналогично ранее проведенным испытаниям на прототипе.
в
0,2
в
0,2
Механические свойства стали испытывали при 20°С на машине FP-100 на стандартных образцах. Результаты определения прочностных характеристик (σ, σ) и пластичности (5), а также режимы термообработки приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, после закалки и старения предлагаемая сталь (п.1-4) обладает заметно большей пластичностью, чем у прототипа (п.5). Относительное удлинение δ предложенной стали составляет 30-44% (в прототипе δ=16-29%). При этом сталь имеет близкие к прототипу значения обратимой деформации (угол разгиба φ=120-150 градусов) и достаточно высокие прочностные характеристики (σ=1006-1174 МПа, σ=730-924 МПа).