Высокопрочные стали

С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных конструкционных сталях предел прочности s_в, как правило, получают не более 1100-1200 МПа, так как при большей прочности сталь практически становится хрупкой.

Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают s_в = 1800 - 2000 МПа, называют высокопрочными.

Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами.

Один из таких способов – легирование среднеуглеродистых сталей (0,4-0,5% С) хромом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200-300⁰С. При этом получают мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, увеличивает сопротивление хрупкому разрушению. Например, сталь, содержащая 0,4% С; 5% Cr; 1% Mo и 0,5% V, после закалки в масле и низкого отпуска при 200⁰С имеет s_в = 2000 МПа при d = 10%, y = 40% и КСU = 0,3 МДж/м².

Стали 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 30Х2ГСН3ВМ и т.п. после термической обработки на структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермическая закалка) приобретают высокую прочность – такая обработка сообщает сталям меньшую чувствительность к надрезам. Прочность s_в» 1600 - 1850 МПа при d» 15 - 12% и КСU = 0,4 - 0,2 МДж/м².

Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, стали 30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХН3МА после НТМО имеют временное сопротивление разрыву до 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5-2 раза по сравнению с обычной термической обработкой. Объясняется это тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению пластичности (охрупчивание при закалке сталей объясняется именно малой подвижностью дислокаций в мартенсите при значительном содержании в нем углерода).

Использование безуглеродистых мартенситностареющих сталей. Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием и специальной термической обработкой. Мартенситностареющие стали относятся к высоколегированным сталям. Основным легирующим элементом является никель (10-26%). При добавлении никеля к железу критическая точка снижается, достигая при определенном содержании никеля комнатной температуры. При этом переход γ → α в железе протекает по мартенситному механизму. Продукт - бездиффузионный никелевый мартенсит - представляет собой твердый раствор замещения атомов железа атомами никеля в решетке ОЦК α - железа. Он пластичен, вязок, обладает умереной прочностью.

Упрочнение железо-никелевого мартенсита достигается другими элементами (Ti, Al, Mo и др), которые хорошо растворимы в γ - железе и ограниченно растворимы в α - железе. При охлаждении γ-раствора, растворенные в нем указанные элементы не успевают выделиться, в результате чего образуется мартенсит, пересыщенный этими металлами. При отпуске до 450 - 500⁰С происходит старение мартенсита - выделение из него дисперсных частиц интерметаллидов Ni₃Ti, Fe₂Мо, Ni₃(Тi,A1) и др., что значительно повышает прочность стали.

Различаясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7-9% Со, который увеличивает степень перенасыщенности мартенсита другими элементами; 4,5-5% Mo; 5-11% Cr; 0,1-0,35% Al; ~0,15-1,6% Ti; иногда ~0,3-0,5% Nb; £ 0,2% Si, Mn; £0,01% S, P каждого.

Так широкое распространение получила сталь 03Н18К9М5Т, содержашая: не более 0,03%С, 17 - 19% Ni, 7 - 9% Со, 4 — 6% Мо, 0,5% Ti. Сталь подвергают закалке на воздухе при 800 — 850⁰С, после чего она хорошо обрабатывается давлением, резанием и хорошо сваривается. Механические свойства после старения: σ_В = 2000 МПа, σ_0,2= 1800 МПа, δ = 12 %, ψ = 50 %, KCU = 0,50 МДж/м². При высокой прочности сталь сохраняет высокое сопротивление хрупкому разрушению. Сталь 03Н18К9М5Т теплоустойчива до 450⁰С.

Мартенситностареющие стали применяют в самолетостроении, ракетостроении, т.е. в тех отраслях, в которых важна удельная прочность, а также в криогенной технике, где они нашли применение благодаря высокой пластичности и вязкости при низких температурах.

Дата добавления: 2015-07-07