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, choćby 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, iż 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, iż 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) dzięki 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, iż 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, iż odkształcenie pękania, ef, słabo zależy od zastosowanych obróbek cieplnych, o ile 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.
