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 σв 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 σв = 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—300°С. При этом получают мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, увеличивает сопротивление хрупкому разрушению. Например, сталь, содержащая 0,4 % С; 5 % Сг; 1 % Мо и 0,5 % V, после закалки в масле и низкого отпуска при 200 °Симеет σв = 2000 МПа при δ;= 10 %, ψ;= 40 % и KCU = 0,3 МДж/м2. Стали30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСН3ВМи 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 σв» 1600…1850 МПа при δ;» 15…12 % и KCU = 0,4…0,2 МДж /м2. Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, стали30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХН3МАпосле 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). Мартенситностареющие стали (В американской литературе эти стали называют Марэйджинг). Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием и специальной термической обработкой. Их достоинства — высокая технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации. Мартенситностареющие стали относятся к высоколегированным сталям. Основным легирующим элементом является никель (10—26 %). Кроме того, различаясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7—9 % Со; 4,5—5 % Мо; 5—11 % Сг; 0,1— 0,35 А1; ~0,15—1,6 % Ti; иногда ~0,3—0,5 % Nb; ≤0,2 % Si, Mn; <0,01 % S, Р каждого. Титан и алюминий вводят для образования интерметаллидов. В мартенситностареющих сталях стремятся получить минимальное количество углерода (≤0,03 %), так как углерод, образуя с легирующими элементами карбиды, способствует охрупчиванию сталей. Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элементов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800—860°С, охлаждении на воздухе и затем отпуске — старении. Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы замещения. Поэтому при закалке мартенситное превращение протекает по второму механизму, т. е. образуется реечный (массивный) мартенсит, для которого характерна высокая плотность дислокаций (до 1011—1012 см). Для их закрепления требуется более 0,2 % С, а в этих сталях его содержание ≤0,03 %. Кроме того, никель и кобальт уменьшают степень закрепления дислокаций атомами углерода и азота, понижают сопротивление решетки мартенсита скольжению дислокаций, поэтому дислокации в этих сталях после закалки обладают высокой подвижностью, сталь очень пластична. После закалки σв»900…1100 МПа, а δ»14…20 %, ψ»70…80 % и KCU» 2,0…3,0 МДж/м2. Изделия из этих сталей получают пластической деформацией после закалки заготовок. Дислокационная структура, полученная после закалки, очень устойчива, сохраняется при нагреве до 500°С. Упрочнение стали происходит в процессе отпуска — старения, который проводят при 480—500°С, за счет перераспределения легирующих элементов. Это приводит к образованию зон концентрационной неоднородности и выделению интерметаллидных фаз NiTi, Ni3 (Ti, Al), FeMo2 в высокодисперсном состоянии. Наибольшее упрочнение наблюдается, когда интерметаллидные фазы находятся на стадии предвыделения, т. е. когда они еще когерентно связаны с твердым раствором и их размер не превышает 2—5 нм. Известно, что в твердом состоянии зарождение новой фазы предпочтительно происходит на дефектах решетки, в частности на дислокациях. Дисперсные частицы, выделяясь на дислокациях, закрепляют их. Дислокации теряют подвижность, прочность увеличивается. Чем мельче частицы интерметаллидов, тем больше упрочнение стали. Отсюда такой узкий интервал нагрева при старении. Установлено, что чем выше содержание никеля, тем значительнее упрочнение стали при одинаковом содержании алюминия и титана. Наилучшее сочетание свойств получается при введении в сталь 20…25 % Ni. После термической обработки мартенситностареющих сталей получают σв»2400…2800 МПа, при δ» 12 %, ψ»40 % и KCU = 1 МДж/м2 (табл. 9). Табл.9. Состав и механические свойства мартенситностареющих сталей
Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицитность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились так называемые «экономнолегированные» мартенситностареющие стали: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Д2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др. Мартенситностареющие стали используют для изготовления шасси самолетов, оболочек космических летательных аппаратов, прецизионных хирургических инструментов и штампов и т. д. Используют эти стали и для криогенной техники, так как и при отрицательных температурах, они обладают высокой прочностью в сочетании с достаточной пластичностью.
|
