В предыдущих двух параграфах были рассмотрены конст­рукционные стали, термически обрабатываемые на прочность ((Тв) до 120—140 кгс/мм2 и структуру — отпущенный мартенсит (низкоуглеродистая сталь) или

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

В предыдущих двух параграфах были рассмотрены конст­рукционные стали, термически обрабатываемые на прочность ((Тв) до 120—140 кгс/мм2 и структуру — отпущенный мартенсит (низкоуглеродистая сталь) или сорбит (среднеуглеродистая сталь).

При такой структуре и прочности сталь обладает высокой пластичностью и вязкостью и ее можно применять для деталей сложной формы, подвергающихся динамическим и усталост­ным нагрузкам.

Однако новейшая техника стала предъявлять более высо­кие требования к прочности; для ряда назначений требуется материал с прочностью 180—200 кгс/мм2 и более, причем усло­вия работы и конфигурация детали позволяют иметь более низкую пластичность и вязкость по сравнению с обычной улуч­шаемой сталью. Высокая прочность достигается подбором ста­ли и специфической обработкой. Такие стали, обработанные на высокую прочность (0В>150 иге/мм2), называются высоко­прочными сталями.

При обычной термической обработке (закалка + отпуск) прочность определяется содержанием углерода и температурой отпуска. Прочность снижается по мере повышения темпера­туры отпуска (рис. 299). Из рис. 299 видно, что при отпуске 200°С* получаем прочность порядка 180 кгс/мм2, т. е. обычные среднеуглеродистые (0,3—0,4 %iC) стали, обработанные путем закалки и низкого отпуска, имеют прочность в пределах 170— 200 кгс/мм2 (см. рис. 299). Однако упрочнение за счет повыше­ния содержания углерода имеет свой предел (0,4%), при бо­лее высоком содержании углерода прочность не возрастает, значение ов становится нестабильным (рис. 301). Это объяс­няется тем, что простое увеличение углерода приводит к по­вышению порога хладноломкости и при ав>200 разрушение становится почти полностью хрупким.

Поэтому такие высокопрочные стали, т. е. обычные стали с 0,3—0,4% С и отпущенные при низких температурах применя­ют сравнительно редко. Их применение возможно, когда усло­вия работы детали исключают динамические нагрузки, а кон­фигурация ее не имеет резких концентраторов.

Практически же обычные стали редко обрабатывают обыч­ными методами «а прочность выше 160 иге/мм2**.

* Отпуск при 200°С соответствует максимуму прочности.

** Конечно, цифра 150 кгс/мм2 является примерной и округленной.

Тем не менее современная техника требует материалы (сталь) с ав>150 кгс/мм2 и в настоящее время известны спо­собы обеспечения относительно удовлетворительной вязкости при значениях прочности (ав) выше 150 кгс/мм2.

Принципиальные пути получения высокой прочности (точ­нее, удовлетворительной вязкости при высокой прочности) бы­ли указаны выше (п. 1 этой главы). Рассмотрим конкретно применяемые способы упрочнения.

Легирующие элементы, и особенно карбидообразующие ле­гирующие элементы, задерживают процессы разупрочнения при отпуске. Если конструкционная сталь с обычным содержанием углерода (около 0,3%) содержит повышенное количество карбидообразующих элементов (хром, молибден, вольфрам, вана­дий), то твердость ее не снижается до высоких температур от­пуска (500—550°С. Если вместо отпуска 200°С на максимальную прочность применить отпуск 500°С, то при этом в большей мере снимутся закалочные напряжения и можно ожидать большей вязкости.

Можно указать на сталь такого состава: 0,3%С; 5% Сг; 1% Мо; 1% Si; 0,5% V (марка ЗОХ5МСФА). После закалки с 1000°С и отпуска 500°С она приобретает такие механические свойства: <0В = 180 кгс/мм2, Со,2=160 кгс/мм2, я|)=45%; ан=5 кгс-м/см2, В=,40% (цифры относятся к вакуумному металлу).

Понижение порога хладноломкости и увеличение содержа­ния волокна (%).в изломе приводит к повышению механи­ческих свойств. Наиболее простым решением вопроса является введение в сталь никеля, элемента, — понижающего темпера­туру перехода в хладноломкое состояние и поэтому увеличива­ющего долю волокна в изломе в высокопрочной стали. В свя­зи с этим улучшаются вязкие свойства, однако в обычных ста­лях нельзя увеличить содержание никеля свыше 4%, так как появляется остаточный аустенит (имеющий пониженную проч­ность, а продукты его распада пониженную вязкость), понижа­ется точка Aci и нельзя провести высокий отпуск. Решение задачи применения высоконикелевой стали состояло в одновре­менном легировании стали никелем и кобальтом. Кобальт по­вышает мартенситную точку и уменьшает поэтому количество остаточного аустенита. Одновременно кобальт повышает точку Лс4 и позволяет провести операцию высокого отпуска.

В качестве примера приведем сталь, содержащую 0,3%С, 9% Ni, 4% Со, обладающую после обычной термической обработки (закалка + отпуск 200°С) при прочности (о"в), равной 160 кгс/.мм2, высоким комплексом пластических и вязких свойств г|) = 60%, Г50=—ПО°С, а£°=2,5 кгс-м/см2, что равноценно стали 18Х2Н4ВА, но при прочности ее 'Ств=130 кгс/мм2.

Тот же путь повышения вязкости, т. е. снижения порога хладноломкости достигается не только легированием никелем, но и использованием мелкого (№ 8—10) и ультрамелкого (№ 11—13) зерна. Измельчение зерна, как указывалось выше, приводит к снижению порога хладноломкости и, следователь­но, к увеличению доли волокна в изломе.стали. Измельчить зерно возможно, применяя высокие скорости нагрева, или вы­сокотемпературной термомеханической обработкой, фиксируя закалкой состояние окончания стадии рекристаллизации обра­ботки (до начала собирательной рекристаллизации).

Вязкость разрушения высокопрочной стали привело к повышению прочности, но заметно увеличило пластичность г и со­противление хрупкому разрушению (Тьц).

Таблица 35

С, %	Обработка	Температура отпуска, °С	"в- КГС/ММ2	СУ КГС/ММ2	К,. 'с кгс/мм2
0,25	ОТО ВТМ0
0,41	ото ВТМО
0,48	ото ВТМО

Используя ВТМО применительно к чистой вакуумированной стали (напри­мер, марки ЗОХ5М2СФА), можно при прочности ав, равной 220 кгс/мм2, полу­чить примерно такой комплекс свойств: 00,2= 180 кгс/мм2, i|)=40%, он = 5 кгс-м/ем2, В = 50%, ар = 6 кгс-м/см2; <3р° =3 кгс-м/см2.

Преимущество ВТМО доказано определением свойств вязкости по методи­ке линейной механики (К.. Мазанец и др., табл. 35), причем характерно, что это преимущество проявляется при обработке на высокую прочность выше 150 кгс/мм2, когда, по-видимому, наблюдается разница в характере разруше­ния (при ств<150 кгс/мм2 для случаев ОТО и ВТМО порог хладноломкости лежит ниже комнатной температуры и разрушение в обоих случаях вязкое, а при ов>200 кгс/мм2 разрушение в обоих случаях полухрупкое, во при меньшей доле волокна при ОТО).

ВТМО для получения высоких свойств изучено весьма подробно, хотя из-за технологических трудностей не получило столь широкого применения, ка­кой она заслуживала.

Другие способы измельчения зерна (введение в высокопрочную сталь нит­ридов, скоростные нагревы и т. д.) находятся пока еще в стадии изучения.

Существует также способ повышения прочности сталей со структурой среднеуглеродистого мартенсита — это небольшая пластическая деформация уже термически обработанной стали, при этом, как правило, прочность (0В) не изменяется, а предел текучести возрастает, достигая практически значения предела прочности (при ТМО предел текучести все же значительно ус­тупает пределу прочности, повышение предела текучести, как правило,"важнее, чем предела прочности, так как предел теку­чести является обычно расчетной характеристикой).

В рассмотренных ранее случаях упрочнение (высокая плот­ность дислокаций) достигалось мартенситным превращением. Образующийся мартенсит в углеродсодержащих сталях имеет мелкоблочное строение и большие напряжения второго рода. Уменьшение содержания углерода уменьшает ширину размы­тия линий рентгенограммы мартенсита (уменьшает плотность дислокаций в мартенсите) и при очень малом содержании уг­лерода (например, 0,03%С) прочность мартенсита (игольча­того феррита) не превосходит 100—120 кгс/мм2. Однако, если такой феррит (мартенсит) содержит элементы, образующие интерметаллидные фазы, то возможен вторичный процесс дис­персионного твердения, связанного с выделением (обособлени­ем) интерметаллидных фаз.

В последнее время разработаны стали интерметаллидного упрочнения (так называемые мартенситно-стареющие стали — американское название Марэджинг), в которых при закалке получается практически безуглеродистый мартенсит, а затем при отпуске (примерно при 500°С) происходит выделение ин­терметаллидных фаз. При этом сгв—180 кгс/см2, 00,2= = 150 кгс/мм2, 6=12%, ^=40%, ан = 64-10 кгс-м/см2.

Обычно эти мартенситно-стареющие стали содержат 18% Ni и дополнительно легированы титаном и алюминием и часто кобальтом и молибденом. Имеются варианты состава с мень­шим (до 8—10%) и большим (до 25%) содержанием никеля.

Наличие никеля и титана необходимо для образования ин­терметаллидных фаз, вызывающих старение, типа NiTi или NisTi (титан частично может быть заменен алюминием). Со­держание углерода должно.быть минимальным (<0,03% С), иначе возможно образование не этих фаз, а карбидов, что ухудшит эффект дисперсионного твердения.

Ввиду высокого содержания легирующих элементов и низ­кого содержания углерода охлаждение при закалке можно осуществлять с любой скоростью без опасения образования не-мартенситных продуктов превращения аустенита. В наиболее распространенной по составу стали типа «стареющий мартен­сит» с <0,03% С; 18% Ni; 10% Со; 5% Мо; 0,5% Ti; 0,1% Al мартенситное превращение начинается при 150—200°С и за­канчивается практически полностью (<;10% остаточного аус­тенита) при комнатной температуре. При содержании никеля более 18% мартенситное превращение заканчивается в обла­сти отрицательных температур, для этих сталей требуется об­работка холодом, но, правда, свойства получаются более высо­кие (см. дальше).

Полученный при «закалке» мартенсит обладает невысокой прочностью и очень высокой пластичностью. В таком «закален­ном» состоянии сталь можно подвергать деформации, обработ­ке резанием и другим технологическим операциям.

Окончательные прочностные свойства формируются при по­следующем отпуске (старении) при 480—500°С.

Примерные механические свойства стали с 18% Ni: ов= = 180 кгс/мм2 «= 15%; ^ = 65%'. Стали с 25% Ni: ов =,= 220 кгс/мм2, 6=12%, ф=55%.

При таком высоком содержании никеля разрушение проис­ходит при всех уровнях прочности и температурах вязко, хотя значение ор уменьшается с увеличением прочности и при ав = = 240 кгс/мм2 становится равной всего лишь 1 кгс-м/см2.

Состав некоторых мартенситно-стареющих сталей приведен в табл. 36.

Таблица 36 Состав и механические свойства мартенситно-стареющих сталей

	Содержание основных эле-	Основные механические
Ма	ментов, %	свойства
	Ni	Со	Мо	Ti	<То	*	°н	°Р
Х18К8МЗ				0,2				3,6
Н18К8М5Т				0,5
Н18К12М5Т				1,5				0,5

Примечание. В указанных сталях содержится 0,03% С; 0,05— 0,15% Al; 0,01i% S; 0,01% Р.

Сравнительно недавно разработан еще один класс высоко­прочных сталей повышенной пластичности, названный трип-сталями1. Сочетание высокой прочности и пластичности созда­ется подбором определенного состава стали, режимом термиче­ской обработки и температурной деформации.

Состав стали должен быть таков, чтобы закалкой (с 1000— 1100°С) фиксировалась при комнатной температуре чистая аустенитная структура (точки Мн и MD должны лежать ниже 0°С*). После этого следует деформация при температуре, не превышающей температуру рекристаллизации (ниже 600°С).

После охлаждения до комнатной температуры аустенитное состояние сохраняется, при этом точка Мн лежит еще ниже комнатной температуры, но точка MD вследствие обеднения аустенита углеродом и легирующими элементами перемести­лась в зону положительных температур. Деформация во вре­мя испытания при комнатной температуре ведет к образова­нию мартенсита. Таким образом исходное, аустенитное, срав­нительно малопрочное состояние в процессе испытания (или эксплуатации) в результате пластической деформации превра­щается в высокопрочное, мартенситное.

Типичный состав трип-стали таков: 0,3% С, 9% Сг, 8% Ni, 4% Мо, 2%' Мп, 2% Si или 0,25% С, 25%, Ni, 4% Мо, 1,5% Мп. Есть и другие составы трип-стали, в которые, для того чтобы обеспечить трип-эффект (точки Мв и MD в закаленном состоянии ниже комнатной температуры, а в наклепанном Мн ниже, a MD выше комнатной температуры), вводят большое количество ле­гирующих элементов. Деформация, которая должна быть зна­чительна (60—80%), производится в районе температур 400—-500°С.

1 Сокращение слов Transformation Induced Plastisity. Встречается в на­шей литературе и такое наименование этих слов — ПНП — пластичность на­веденная превращением.

MD — температура, выше которой деформация не вызывает мартенситного превращения.

Механические свойства достигают значений 002—НО— 170 кгс/мм2, ав=180—200 кгс/мм2 при 6=20—30%.

Особенно важное свойство этих сталей — высокое сопро­тивление развитию трещины. Так, например, вязкость разру­шения (интенсивность напряжения в устье трещины /Сс) у обычной хромоникельмолибденовой стали при <То,2=150 кгс/мм2 составляет около 175 кгс/мм3/2, у мартенситно-стареющей ста­ли при той же прочности — около 300 кгс/мм3^2, а у трип-стали — свыше 500 кгс/мм3/2 (рис. 304).

В настоящий момент трип-ста­ли, по-видимому, являются мате­риалом с самым высоким сочета­нием прочности и вязкости, т. е. самым надежным конструкцион­ным материалом.

Исследование механических свойств сталей показало, что их пластические и вязкие свойства, а отсюда и возможность упрочнения зависят от чистоты стали, содер­жания примесей внедрения (азот, кислород, водород) и неметалли­ческих включений. Примеси внед­рения, т. е. элементы, образующие с железом твердые растворы внед­рения, создавая местные искажения, затрудняют движение дислокаций. Пластическая деформация при этом затруднена, ив местах скопления неподвижных дислокаций облегчается зарождение микротрещин.

Неметаллические включения (нитриды, оксиды, сульфиды), располагаясь вдоль направления прокатки, создают очаги кон­центраций напряжений, что особенно резко сказывается на так называемых поперечных свойствах — свойствах образцов, вырезанных поперек прокатки. Поэтому один из важных спо­собов повышения прочности (точнее пластичности и вязко­сти) — применение высокочистых сплавов.

Успехи металлургической техники за последние годы позво­ляют получать металл более чистый, и, следовательно, более надежный в эксплуатации.

Обработка мартеновского металла так называемыми синте­тическими шлаками (шлаками, приготовленными в отдельной печи) позволяет уменьшить содержание не только кислорода, но и серы и тем самым уменьшить число оксидных и суфидных неметаллических включений, что резко повышает вязкость поперечных образцов.

Уменьшение содержания газов достигается применением вакуумной выплавки.

Таблица 37 Сравнение свойств стали 40ХГСНМФ открытой и вакуумной выплавки

°В' кгс, мм2	*. %	°-Г кгс/мм2	V кгс/мм2	ф, %	о '., кгс/мм2
100 140	3Q/55 25/40	55/55 180 76/77 200	20/30 15/25	75/88 62/90

Примечание. В числителе — после открытой плавки; в знаменателе -после вакуумной плавки.

Приведем некоторые примеры. Сравним сталь типа 40ХГСНМФ двух пла­вок очень близкого состава, но выплавленную разными способами. Сталь от­крытой плавки содержала 250 О и 50 Н, ат. ррг, а сталь вакуумной выплавки 75 О и 28 Н ат. ррт. Большого различия в 0В и ст0,2 о'беих плавок не обнаруже­но, яо по показателям ч|) и 0—1 различие было достаточно заметным (табл. 37).

Хотя достигнутая в лабораторных опытах прочность стали (ав = 300 кгс/ /мм2), все же достигнутый уровень прочности составляет лишь часть от теоретической. Возможности создания высокопрочных материалов (точнее, ма­териал + технологический процесс упрочнения) еще достаточно широки. По некоторым прогнозам, в будущем промышленность будет располагать сплава­ми на основа железа с а0,2 = 280 кгс/мм2 и ств = 320 кгс/мм2.

Дата добавления: 2015-08-28