Патент на изобретение №2293769

(54) ТРЕХФАЗНЫЕ НАНОКОМПОЗИТНЫЕ СТАЛИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к углеродистым сталям с высокими рабочими характеристиками. Предложены углеродистая сталь и способ ее получения. Сталь содержит железо и максимум 0,35 мас.% углерода, трехфазную микроструктуру, содержащую кристаллы феррита, сплавленные с мартенсит-аустенитными зернами, причем мартенсит-аустенитные зерна содержат пластины мартенсита, чередующиеся с тонкими пленками аустенита. Способ включает формирование состава стали, содержащего железо, по крайней мере, один легирующий компонент и максимум около 0,35 мас.% углерода в пропорциях, выбранных для получения состава с температурой начала мартенситного превращения, по меньшей мере, около 300°С, нагрев указанной стали до температуры, достаточной для ее перехода в однородную аустенитную фазу и перевода в раствор всех легирующих компонентов, охлаждение однородной аустенитной фазы в достаточной степени для преобразования части аустенитной фазы в кристаллы феррита для формирования двухфазной микроструктуры, содержащей кристаллы феррита, сплавленные с аустенитными зернами, и охлаждение двухфазной микроструктуры в области фазового превращения мартенсита для преобразования зерен аустенита в решетчатую трехфазную микроструктуру, содержащую пластины мартенсита, чередующиеся с пленками остаточного аустенита. Технический результат – получение высокопрочной, стойкой к коррозии углеродистой стали с кристаллической структурой, обеспечивающей исключительные свойства по сравнению с обычными сталями. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области сплавов для стали, в частности к сплавам, обладающим высокой прочностью, вязкостью, стойкостью к коррозии и пригодностью к холодному деформированию, а также к технологии обработки указанных сплавов для формирования микроструктур, которые позволяют создать сталь с определенными физическими и химическими свойствами.

Уровень техники

Углеродистые стальные сплавы, обладающие высокой прочностью и вязкостью и способностью к холодному деформированию, микроструктуры которых представляют собой композиты мартенситной и аустенитной фаз, описаны в следующих американских патентах, каждый из которых приведен здесь полностью в качестве ссылки:

4170497 (Gareth Thomas and Bangaru V.N. Rao), выданном 9 октября 1979 г. по заявке, поданной 24 августа 1977 г.

4170499 (Gareth Thomas and Bangaru V.N. Rao), выданном 9 октября 1979 г. по заявке, поданной 14 сентября 1978 г., как частичное продолжение вышеуказанной заявки, поданной 24 августа 1977 г.

4619714 (Gareth Thomas, Jae-Hwan Aim, and Nack-Joon Kim), выданном 28 октября 1986 г. по заявке, поданной 29 ноября 1984 г., как частичное продолжение заявки, поданной 6 августа 1984 г.

4671827 (Gareth Thomas, Nack J. Kim, and Ramamoorthy Ramesh), выданном 9 июня 1987 г. по заявке, поданной 11 октября 1985 г.

6273968 Bl (Gareth Thomas), выданном 14 августа 2001 г. по заявке, поданной 28 марта 2000 г.

Микроструктура играет ключевую роль в установлении свойств конкретного сплава, и, таким образом такие свойства сплава, как прочность и вязкость, зависят не только от выбора легирующих элементов и их количественного состава, но также от кристаллических фаз, присутствующих в структуре. От сплавов, предназначенных для использования в определенных условиях, требуются повышенная прочность и вязкость, и, в общем, обеспечение совокупности свойств, которые часто входят в конфликт друг с другом, поскольку некоторые легирующие элементы, способствующие одному свойству, могут отрицательно влиять на другое.

Сплавы, описанные в приведенных выше патентах, представляют собой сплавы для углеродистой стали, которые имеют микроструктуру, состоящую из пластин мартенсита, чередующихся с тонкими пленками аустенита, и сплавы, описанные в патенте №4619714, представляют собой сплавы для низкоуглеродистой двухфазной стали. В некоторых из сплавов, описанных в этих патентах, мартенсит распределен в виде мелких гранул карбидов, образующихся в ходе самоотпуска. Компоновка, в которой пластины одной фазы разделены тонкими пленками другой фазы, называется “смещенной решетчатой” структурой, которую формируют вначале путем нагрева сплава до диапазона аустенита с последующим охлаждением сплава ниже температуры фазового превращения в диапазоне, в котором аустенит преобразуется в мартенсит совместно с прокаткой или ковкой для получения требуемой формы продукта и для рафинирования компоновки из чередующихся пластин и тонкой пленки. Эта микроструктура является предпочтительной по сравнению с альтернативной двойниковой мартенситной структурой, поскольку решетчатая структура имеет более высокую вязкость. В патентах также описано, что избыток углерода в областях решеток в процессе охлаждения выпадает в осадок с образованием цементита (карбида железа, Fe₃С) в результате явления, известного как “самоотпуск”.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату заявленным сплаву для углеродистой стали и способу получения сплава для углеродистой стали является патент US 6273968, С 22 С 38/18.

Известный сплав содержит железо и максимум 0,35 мас.% углерода, с микроструктурой, содержащей мартенсит-аустенитные зерна. При этом мартенсит-аустенитные зерна содержат пластины мартенсита, чередующиеся с тонкими пленками аустенита.

В вышеприведенном патенте описан способ получения известного углеродистого стального сплава, включающий формирование состава углеродистого стального сплава, содержащего железо, по меньшей мере, один легирующий элемент и максимум 0,35 мас.% углерода, нагрев сплава заданного состава до температуры, достаточной для его перехода в однородную аустенитную фазу и перевода в раствор всех легирующих элементов, охлаждение аустенитной фазы.

В патенте ‘968 описано, что самоотпуск можно предотвратить путем ограничения выбора легирующих элементов так, что значение M_s начальной температуры мартенсита, которая представляет собой температуру, при которой начинает формироваться мартенситная фаза, составляет 350°С или выше. В определенных сплавах образующиеся в результате самоотпуска карбиды повышают вязкость стали, в то время как в других карбиды ограничивают вязкость.

Смещенная решетчатая структура позволяет получить высокопрочную сталь, которая обладает одновременно вязкостью и ковкостью – свойствами, которые необходимы для сопротивления распространению трещин и для обеспечения достаточной пригодности к формованию для производства технических компонентов из стали. Благодаря контролированию фазы мартенсита обеспечивается формирование скорее смещенной решетчатой, а не двойниковой структуры, что представляет собой одно из наиболее эффективных средств обеспечения необходимого уровня прочности и вязкости, в то время как тонкие пленки остающегося аустенита способствуют таким качествам, как ковкость и формуемость. Получение такой смещенной решетчатой микроструктуры вместо менее предпочтительной двойниковой структуры обеспечивается путем тщательного выбора состава сплава, что, в свою очередь, влияет на значение M_s.

В некоторых вариантах применения требуются сплавы для стали, при применении которых поддерживаются прочность, ковкость, вязкость и стойкость к коррозии в очень широком диапазоне условий, включая очень низкие температуры. Эти и другие проблемы, относящиеся к производству стали с высокой прочностью и вязкостью, которая также обеспечивает стойкость к коррозии, решаются с помощью настоящего изобретения.

Сущность изобретения

В основу изобретения положена задача разработки углеродистого стального сплава с такой кристаллической структурой, обеспечивающей исключительные свойства стали по сравнению с обычными сталями, в отношении зависимости между напряжением и деформацией, свойствами коррозионной стойкости и стойкости к усталостному растрескиванию аустенита, а также создания способа получения высокопрочного, стойкого к коррозии, вязкого углеродистого стального сплава.

Поставленная задача решается тем, что углеродистый стальной сплав согласно изобретению содержит железо и максимум 0,35 мас.%. углерода с трехфазной микроструктурой, содержащей кристаллы феррита, сплавленные с мартенсит-аустенитными зернами, причем мартенсит-аустенитные зерна содержат пластины мартенсита, чередующиеся с тонкими пленками аустенита. Следует заметить, что мартенсито-аустенитные зерна не содержат карбидные осадки на поверхностях раздела между фазами. При этом мартенсито-аустенитные зерна составляют от около 20 до около 40 мас.% трехфазной микроструктуры. Углерод составляет от около 0,05 до около 0,2 мас.%. Сплав согласно изобретению дополнительно содержит от около 1 до около 2,5 мас.%. кремния.

Сплав согласно изобретению содержит от около 0,05 до около 0,2 мас.% углерода и дополнительно содержит кремний от около 1 до около 2,5 мас.% и по существу не содержит карбиды.

Было определено, что сплавы углеродистой стали с трехфазовой кристаллической структурой обеспечивают высокие рабочие свойства и стойкость к коррозии в широком диапазоне условий. Трехфазная кристаллическая структура представляет собой уникальную комбинацию ферритной, аустенитной и мартенситной кристаллических фаз, в которой кристаллы феррита сплавлены с кристаллами, содержащими смещенную решетчатую структуру, описанную в патентах известного уровня техники, ссылки на которые сделаны выше, то есть содержащую пластины мартенсита, чередующиеся с тонкими пленками аустенита. Такая трехфазная структура может быть сформирована различными способами с использованием широкого диапазона составов и может быть получена с использованием множества способов обработки, которые включают различные типы разливки, тепловой обработки, прокатки и ковки. Состав сплава, используемый для получения трехфазной структуры, представляет собой сплав, в котором начальная температура образования мартенсита составляет приблизительно 300°С или выше и, предпочтительно, приблизительно 350°С и выше. Это обеспечивает включение смещенной решетчатой структуры мартенсита в качестве части общей микроструктуры. Для обеспечения этого содержание углерода должно составлять максимум 0,35 мас.%.

Поставленная задача решается также тем, что способ получения высокопрочного, стойкого к коррозии вязкого углеродистого стального сплава согласно изобретению включает формирование состава сплава, содержащего железо, по меньшей мере, один легирующий элемент и максимум около 0,35 мас.%. углерода в пропорциях, выбранных для получения состава с начальной температурой мартенситного превращения, по меньшей мере, около 300°С, нагрев сплава указанного состава до температуры, достаточной для его перехода в однородную аустенитную фазу и перевода в раствор всех легирующих элементов, охлаждение однородной аустенитной фазы в достаточной степени для преобразования части аустенитной фазы в кристаллы феррита для формирования двухфазной микроструктуры, содержащей кристаллы феррита, сплавленные с аустенитными зернами, и охлаждение двухфазной микроструктуры в области фазового превращения мартенсита для преобразования зерен аустенита в решетчатую микроструктуру, содержащую пластины мартенсита, чередующиеся с пленками остаточного аустенита. Охлаждение двухфазной микроструктуры осуществляют со скоростью, достаточно высокой для предотвращения возникновения самоотпуска.

Предпочтительно охлаждение однородной аустенитной фазы осуществляют до температуры от около 775 до около 900°С.

Формируют сплав, содержащий от около 0,05 до около 0,2 мас.% углерода и дополнительно содержит кремний от около 1 до около 2,5 мас.%.

Предпочтительный способ формирования микроструктуры включает металлургическую обработку углеродистого стального сплава с использованием способа поэтапного охлаждения от аустенитной фазы. Первый этап охлаждения в этом способе состоит в частичной рекристаллизации аустенитной фазы для осаждения кристаллов феррита и, таким образом, формирования двухфазной кристаллической структуры из зерен аустенита и кристаллов феррита. Температура, достигаемая на этом первом этапе охлаждения, определяет отношение аустенита к ферриту, как можно видеть на диаграмме фаз конкретного сплава. После достижения этой температуры сталь подвергают горячей обработке для обеспечения дополнительной гомогенизации и восстановления, а также для требуемого деформирования или профилирования в зависимости от требуемого конечного продукта. Горячая обработка может быть выполнена с помощью управляемой прокатки, такой, какую, например, выполняют для получения конечного продукта в виде круглого или плоского катаного продукта, или способом ковки для получения определенных форм, таких как лезвия, изделия для сельскохозяйственного применения, колпаки, вертолетные сиденья и т.п. После горячей обработки при этой промежуточной температуре проводят второй этап охлаждения, в ходе которого аустенитная фаза преобразуется в смещенную решетчатую структуру в результате преобразования большей части аустенита в мартенсит при сохранении части аустенита в виде тонких пленок, которые чередуются с пластинами мартенсита. Этот второй этап охлаждения выполняют быстро для предотвращения формирования фаз бейнита и перлита и межфазных осадков вообще (то есть осадков вдоль границ, разделяющих соседние фазы). В этом отношении минимальные скорости охлаждения могут изменяться в зависимости от состава сплава, но могут быть легко определены по диаграммам преобразования – температуры – временной фазы в общей форме, которые существуют для каждого сплава. Пример такой диаграммы представлен на фиг.3, описанной ниже.

Получаемая в результате трехфазная кристаллическая структура позволяет получить стальной сплав, который обладает исключительными свойствами по сравнению с обычными сталями, в отношении зависимости между напряжением и деформацией, свойствами коррозионной стойкости и стойкости к усталостному растрескиванию.

Эти и другие цели, свойства и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из следующего описания.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен эскиз, изображающий микроструктуру сплавов в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 изображена диаграмма фаз, представляющая различные кристаллические фазы, которые присутствуют при различных температурах, и в зависимости от содержания углерода конкретного сплава для углеродистой стали в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показана диаграмма кинетического температурного преобразования по времени, демонстрирующая процедуры и условия способа второго этапа охлаждения в соответствии с настоящим изобретением для конкретной стали Fe/Si/C в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 представлен график зависимости деформации от напряжения для сравнения сплава в соответствии с настоящим изобретением и стали AISI Steel A706 известного уровня техники.

На фиг.5 показан график зависимости ударной вязкости по Шарпи от температуры для сплава в соответствии с настоящим изобретением, который имеет исключительную вязкость при низкой температуре.

Подробное описание изобретения

Трехфазная кристаллическая структура в соответствии с настоящим изобретением таким образом, содержит два типа зерен – ферритные кристаллы и мартенситно-аустенитные зерна, сплавленные вместе в виде непрерывной массы, в которой мартенситно-аустенитные зерна содержат мартенситные пластины, имеющие смещенную решетчатую структуру. Размер отдельного зерна является не критичным и может изменяться в широких пределах. Для обеспечения наилучших результатов размер зерна, в общем, имеет диаметр (или другую соответственно характеризующую линейную размерность) в пределах диапазона от около 2 микрона до около 100 микрон или предпочтительно в диапазоне от около 5 микрон до около 30 микрон. В мартенситно-аустенитных зернах пластины мартенсита обычно имеют ширину от около 0,01 микрон до около 0,3 микрона (соседние пластины, разделенные тонкими аустенитными пленками), и предпочтительно от около 0,05 микрон до около 0,2 микрона. Количество фазы феррита по отношению к мартенситно-аустенитной фазе также может изменяться в широких пределах и является не критичным для целей настоящего изобретения. В большинстве случаев, однако, наилучшие результаты будут получены, когда мартенситно-аустенитные зерна составляют от около 5 до около 95% трехфазной кристаллической структуры, предпочтительно от около 15 до около 60% и наиболее предпочтительно от около 20 до около 40%, все проценты приведены по массе.

Содержание углерода в сплаве может также изменяться в пределах максимум 0,35%. В большинстве случаев наилучшие результаты будут получены при уровне углерода в диапазоне от около 0,01 до около 0,35%, предпочтительно от около 0,03 до около 0,3% и наиболее предпочтительно от около 0,05 до около 0,2%. Как указано выше, в составе сплава могут присутствовать карбидные или карбонитридные осадки, находящиеся внутри пластины, то есть осадки, расположенные, по большей части, скорее внутри мартенситных пластин, а не вдоль границ пластин, в то время как межфазные осадки (вдоль границ) предпочтительно исключаются. Другие легирующие элементы также присутствуют в определенных вариантах выполнения настоящего изобретения. В одном примере эти осадки состоят из кремния, который в предпочтительных вариантах выполнения составляет от около 0,1 до около 3%, и предпочтительно от около 1 до около 2,5%. Другой пример представляет хром, который может совсем отсутствовать (как в нехромистой Fe/Si/C стали) или в случае, когда он присутствует, его количество может находиться в диапазоне от около 1 до около 13%, предпочтительно, от около 6 до около 12% по массе, и более предпочтительно от около 8 до около 10%. Примеры других легирующих элементов, включенных в различные варианты выполнения настоящего изобретения, представляют собой марганец, никель, кобальт, алюминий и азот как по отдельности, так и в комбинациях. Микролегирующие элементы, такие как молибден, ниобий, титан и ванадий, также могут присутствовать в составе стали. Все процентные соотношения приведены по массе.

Предпочтительные трехфазные кристаллические структуры в соответствии с настоящим изобретением также, по существу, не содержат карбиды. Как указано выше, карбиды и другие осадки образуются в результате самоотпуска. Влияние, которое эти осадки оказывают на вязкость стали, зависит от морфологии осадков в микроструктуре стали. Если осадки располагаются по границам между фазами, в результате снижается вязкость и стойкость к коррозии. Осадки, расположенные внутри самих фаз, не ухудшают вязкость при условии, что размеры осадков в диаметре составляют приблизительно 500Å или меньше. Такие внутрифазные осадки могут фактически улучшать вязкость. В общем, однако, осадки могут снизить стойкость к коррозии. Таким образом, в предпочтительном варианте использования на практике настоящего изобретения самоотпуск может происходить при условии, что осадки не формируются на поверхностях раздела между разными кристаллическими фазами. Термин “по существу отсутствуют карбиды” используется здесь для указания, что, если какие-либо карбиды фактически присутствуют в составе стали, их количество настолько мало, что эти карбиды не оказывают отрицательного влияния на рабочие характеристики и, в частности, на характеристики коррозионной стойкости конечного сплава.

Трехфазные сплавы в соответствии с настоящим изобретением могут быть получены путем исходного комбинирования соответствующих компонентов, необходимых для формирования сплава требуемого состава, с последующей гомогенизацией (то есть “пропиткой”) состава в течение достаточного периода времени и при достаточной температуре для получения однородной аустенитной структуры, все элементы и компоненты которой находятся в твердом растворе. Условия для такой гомогенизации будут очевидны для специалистов в данной области техники, и при этом обычно используют температуру в диапазоне от 1050 до 1200°С. В соответствии с практикой, хорошо известной в данной области техники, после пропитки часто следует прокатка с коэффициентом вытяжки 10% или больше, и во многих случаях с коэффициентом вытяжки от около 30 до около 60%. Это способствует диффузии легирующих элементов для формирования однородной кристаллической фазы аустенита.

После формирования фазы аустенита состав сплава охлаждают до значения температуры в межкритической области, которая определяется как область, в которой фазы аустенита и феррита существуют одновременно в равновесии. В результате охлаждения, таким образом, часть аустенита рекристаллизуется в кристаллы феррита, и остальная ее часть остается в виде аустенитной фазы. Относительное количество каждой из этих двух фаз при равновесии изменяется в зависимости от температуры охлаждения состава на этом этапе, а также от уровня легирующих элементов. Распределение углерода между двумя фазами (вновь при равновесном состоянии) также изменяется в зависимости от температуры. Как указано выше, относительные количества двух фаз являются не критичными для целей настоящего изобретения и могут изменяться в определенных предпочтительных диапазонах. Что касается температуры охлаждения аустенита для получения двухфазной феррито-аустенитной структуры, предпочтительный диапазон температуры выбирают от около 750 до около 950°С и более предпочтительный диапазон температур составляет от около 775 до около 900°С в зависимости от состава сплава.

После формирования двухфазных структур феррита и аустенита (то есть после достижения равновесного состояния при выбранной температуре в межкритической фазе) сплав быстро закаливают путем охлаждения в диапазоне фазового превращения мартенсита для преобразования зерен аустенита в смещенную решетчатую микроструктуру. Скорость охлаждения выбирают достаточно высокой для, по существу, предотвращения каких-либо изменений фазы феррита. Однако, кроме того, в предпочтительных вариантах выполнения настоящего изобретения скорость охлаждения выбирают достаточно высокой для исключения формирования бейнита и перлита, а также нитридных и карбонитридных осадков в зависимости от состава сплава, в также формирование любых осадков вдоль границ фаз. Термины “межфазное осаждение” и “межфазные осадки” используют здесь для обозначения осаждения вдоль границ фаз, и он означает формирование небольших количеств осадков различных соединений в местах между фазами мартенсита и аустенита, то есть между пластинами и тонкими пленками, разделяющими пластины. Термин “межфазные осадки” не означает сами пленки аустенита. Формирование осадков различных типов, включая бейнитные, перлитные, нитридные и карбонитридные осадки, в также межфазные осадки, в общем, называется здесь “самоотпуском”. Минимальная скорость охлаждения, требуемая для исключения самоотпуска, известна из диаграммы преобразования – температуры – времени для сплава. По вертикальной оси диаграммы представлена температура, а по горизонтальной оси представлено время, и кривые на диаграмме указывают области, где каждая фаза существует либо самостоятельно или в комбинации с другой фазой (фазами). Типичная такая диаграмма представлена в американском патенте №6273968 В1, автора Thomas, ссылка на который приведена выше, и такая диаграмма изображена здесь на фиг.3, описанной ниже. На таких диаграммах минимальная скорость охлаждения представлена наклонной линией снижения температуры в зависимости от времени, которая касается с левой стороны С-образной кривой. Область справа от кривой показывает наличие карбидов и приемлемые скорости охлаждения, поэтому представлены линиями, которые остаются слева от кривой, самая малая из которых имеет наименьший наклон и примыкает к кривой.

В зависимости от состава сплава скорость охлаждения, достаточно большая для удовлетворения этого требования, может иметь такое значение, для которого требуется охлаждение водой, или скорость, которая может быть получена при охлаждении воздухом. В общем, если уровни определенных легирующих элементов в составе сплава, которые можно охлаждать воздухом с обеспечением достаточно высокой скорости охлаждения, снижаются, необходимо повышать уровни других легирующих элементов для поддержания возможности охлаждения воздухом. Например, снижение содержания одного или нескольких таких легирующих элементов, как углерод, хром или кремний, может быть компенсировано повышением уровня такого элемента, как марганец.

Предпочтительные составы сплава для целей настоящего изобретения представляют собой сплавы, которые содержат от около 0,05 до около 0,1% углерода, от около 0,3 до около 5% никеля и около 2% кремния, все процентные соотношения приведены по массе, причем остальное составляет железо. Никель может быть заменен марганцем при концентрации, по меньшей мере, около 0,5%, предпочтительно 1-2% (по массе) или могут присутствовать оба эти элемента. Предпочтительный способ закаливания представляет собой охлаждение водой. Предпочтительные составы сплавов представляют собой также сплавы, которые имеют начальную температуру преобразования мартенсита около 300°С или выше.

Приемы и условия обработки, приведенные в американских патентах, ссылки на которые сделаны выше, в частности, тепловая обработка, рафинирование зерен, ковка в линии и использование прокатных сплавов для формирования круглых, плоских и других форм продуктов можно использовать на практике в соответствии с настоящим изобретением для нагрева состава сплава до фазы аустенита, охлаждения сплава от фазы аустенита до межкритической фазы и последующего охлаждения через область фазового превращения мартенсита. Прокатку выполняют управляемым образом с использованием одного или нескольких этапов в ходе приемов аустенизации и первого этапа охлаждения, например, для облегчения диффузии легирующих элементов, для формирования гомогенной аустенитной кристаллической фазы и затем для деформирования зерен кристаллов и накопления энергии деформации в зернах, в то время как при охлаждении на втором этапе прокатку можно использовать для направления вновь формируемой мартенситной фазы с получением смещенной решетчатой структуры мартенсита, разделенной тонкими пленками остаточного аустенита. Коэффициент вытяжки при прокатке может изменяться, и его значение будет очевидно для специалистов в данной области техники. В мартенсито-аустенитных смещенных решетках кристаллов пленки остаточного аустенита будут составлять от около 0,5% до около 15 об.% микроструктуры, предпочтительно от около 3% до около 10%, и наиболее предпочтительно максимум около 5%. Пропорция аустенита по отношению к общей трехфазной микроструктуре может составлять максимум около 5%. Собственно ширина одиночной остаточной аустенитной пленки, предпочтительно, составляет в диапазоне от около 50Å до около 250Å, и предпочтительно, составляет около 100Å. Пропорция аустенита по отношению к общей трехфазной микроструктуре, в общем, будет составлять максимум около 5%.

На фиг.1 представлен эскиз трехфазной кристаллической структуры в соответствии с настоящим изобретением. Эта структура включает кристаллы 11 феррита, сплавленные с мартенсито-аустенитными зернами 12, и каждое из мартенсито-аустенитных зерен 12 имеет смещенную решетчатую структуру с, по существу, параллельными решетками 13, состоящими из зерен кристаллов мартенситной фазы, причем эти решетки разделены тонкими пленками 14 из остаточной аустенитной фазы.

На фиг.2 показана диаграмма фаз для класса углеродистых сталей с обозначением преобразований, которые происходят во время этапов охлаждения и влияния различных концентраций углерода. На данной конкретной диаграмме фаз представлены углеродистые стали, которые содержат 2% кремния. Область справа от верхней кривой обозначена буквой ““, которая представляет аустенитную фазу; все другие области содержат обозначение ““, которое представляет фазу феррита. На этапе аустенизации сплав нагревают до области полной -фазы в правом верхнем углу. Вертикальная пунктирная линия на уровне 0,1% углерода обозначает фазы, которые образуются при охлаждении сплава для стали с содержанием 0,1% углерода (содержащего 2% кремния) из аустенитной фазы. Если охлаждение останавливают на температуре 900°С (“Т-1”), значения концентрации углерода в этих двух фазах будут такими, как обозначено пересечением линий Т-1 с двумя кривыми. В случае, показанном на фиг.2, содержание углерода двух фаз при охлаждении до Т-1 приблизительно составляет 0,001% С в фазе феррита и 0,14% в фазе аустенита. Пропорция фаз также устанавливается по выбранной температуре. Хотя на данной диаграмме фаз это не видно, пропорции могут быть определены специалистами в данной области техники. В случае, показанном на фиг.2, достигаемая пропорция при Т-1 составляет 60% аустенита и 40% феррита. Если сталь охлаждают до 800°С (“Т-2”), концентрация углерода в двух фазах будет такой, как показано пересечением линий Т-2 с двумя кривыми, которые отличаются от значений, соответствующих 900°С, и пропорция фаз также будет отличаться. В этом случае уровни углерода в двух фазах составят приблизительно 0,03% в фазе феррита и 0,3% в фазе аустенита. Относительные количества двух фаз составят приблизительно 25% аустенита и 75% феррита. Таким образом, пропорцию выбирают путем выбора температуры, до которой происходит охлаждение на первом этапе, и путем поддержания температуры M_s аустенита выше 300°С.

После выполнения охлаждения первого этапа сталь подвергают управляемой прокатке с использованием способов, хорошо известных в данной области техники, с управлением размера зерен, а также для деформирования и профилирования изделий из стали для конечного использования.

Затем выполняют охлаждение второго этапа, в результате которого формируется мартенситная фаза в компоновке смещенных решеток. Как указано выше, это выполняют с достаточно высокой скоростью для предотвращения формирования как бейнита, так и перлита, а также формирования каких-либо межфазных осадков. На фиг.3 показана диаграмма кинетических температурных преобразований по времени, представляющая второй этап охлаждения для сплава, содержащего 0,079% С, 0,57% Mn и 1,902% Si. На схеме использованы следующие обозначения:

“А”: аустенит

“М”: мартенсит

“F”: феррит

“В”:бейнит

“UB”: верхний бейнит

“LB”: нижний бейнит

“Р”: перлит

“M_s“: начальная температура мартенсита (420°С)

“M_f“: конечная температура мартенсита (200°С)

Наклонной пунктирной линией на фиг.3 обозначена наименьшая скорость охлаждения, при которой предотвращается формирование байнита или перлита и межфазное осаждение вообще, и поэтому может быть использована эта скорость или любая скорость охлаждения, которая представлена более крутыми линиями.

На фиг.4 изображен график зависимости напряжения от деформации для сравнения сплава для углеродистой стали с трехфазной кристаллической структурой в соответствии с настоящим изобретением, в котором мартенсито-аустенитная фаза составляет 40% всей микроструктуры, и межрешетчатый аустенит составляет 2% всей микроструктуры у обычного сплава стали AISI A706. Отношение предела прочности на разрыв к пределу текучести больше чем 1,5, и на графике показано преимущество сплава в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 показан график зависимости ударной вязкости по Шарпи от температуры для того же сплава углеродистой стали в соответствии с настоящим изобретением, свойства которого представлены на фиг.4.

Сплавы для стали в соответствии с настоящим изобретением являются в особенности пригодными для изделий, в которых требуется обеспечить высокий предел прочности на разрыв, в особенности, используемых в соленой/морской среде воздействия.

Приведенное выше описание, в основном, предназначено для иллюстрации. Дополнительные модификации и изменения различных параметров состава сплава, процесса и условий обработки могут быть выполнены так, что они будут воплощать основы и новые концепции настоящего изобретения. Такие условия будут очевидны для специалистов в данной области техники и будут включены в объем настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Углеродистая сталь, содержащая железо и максимум 0,35 мас.% углерода, трехфазную микроструктуру, содержащую кристаллы феррита, сплавленные с мартенсит-аустенитными зернами, причем мартенсит-аустенитные зерна содержат пластины мартенсита, чередующиеся с тонкими пленками аустенита.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что микроструктура содержит мартенсит-аустенитные зерна без карбидных выделений на поверхности раздела фаз.

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в трехфазной микроструктуре мартенсит-аустенитные зерна составляют около 20 – 40 мас.%.

4. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что углерод составляет около 0,05 – 0,2 мас.%.

5. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит около 1 – 2,5 мас.% кремния.

6. Сталь по п.1, отличающаяся тем, она содержит около 0,05 – 0,2 мас.% углерода и дополнительно содержит около 1 – 2,5 мас.% кремния и по существу не содержит карбиды.

7. Способ получения высокопрочной, стойкой к коррозии углеродистой стали, включающий формирование состава стали, содержащего железо, по крайней мере, один легирующий компонент и максимум около 0,35 мас.% углерода в пропорциях, выбранных для получения состава с температурой начала мартенситного превращения, по меньшей мере, около 300°С, нагрев указанной стали до температуры, достаточной для ее перехода в однородную аустенитную фазу и перевода в раствор всех легирующих компонентов, охлаждение однородной аустенитной фазы в достаточной степени для преобразования части аустенитной фазы в кристаллы феррита для формирования двухфазной микроструктуры, содержащей кристаллы феррита, сплавленные с аустенитными зернами, и охлаждение двухфазной микроструктуры в области фазового превращения мартенсита для преобразования зерен аустенита в решетчатую трехфазную микроструктуру, содержащую пластины мартенсита, чередующиеся с пленками остаточного аустенита.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что охлаждение двухфазной микроструктуры осуществляют со скоростью, достаточно высокой для предотвращения возникновения самоотпуска.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что охлаждение однородной аустенитной фазы осуществляют до температуры около 775 – 900°С.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что формируют сталь, содержащую около 0,05 – 0,2 мас.% углерода и дополнительно содержащую кремний около 1 – 2,5 мас.%.

РИСУНКИ