Высокопрочные стали

В лучших низко- и среднеуглеродистых сталях после типичной для них термической обработки прочность, оцениваемая временным сопротивлением, ограничивается значениями ниже 1500 МПа. При σ_в ≥ 1500 МПа эти стали имеют высокую чувствительность к концентраторам напряжений и эксплуатационно ненадежны.

Развитие техники, стремление к созданию машин наименьшей массы требуют применения высокопрочных сталей, имеющих σ_в > 1500 МПа. Для пред-упреждения хрупкого разрушения таким сталям необходим определенный запас вязкости (KCU не менее 0,2 МДж/м²). Кроме того, расчет рабочих напряжений в деталях из этих сталей необходимо вести не только по значению σ_0,2, но и по предельно допустимому размеру дефекта с использованием критерия K_1C. При использовании высокопрочных сталей важно также соблюдение определенных требований к конструированию деталей и технологии обработки их поверхности. При проектировании необходимо избегать конструктивных концентраторов напряжений, а при изготовлении не допускать на поверхности глубоких рисок, царапин, обеспечивать минимальную ее шероховатость.

Высокопрочное состояние в сочетании с достаточно высоким сопротивлением хрупкому разрушению может быть получено при использовании: среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей после низкого отпуска или термомеханической обработки; мартенситно-стареющих сталей; метастабильных аустенитных сталей.

• Среднеуглеродистые комплексно-легированные низко отпущенные стали. После закалки и низкого отпуска уровень прочности стали определяется содержанием углерода и практически не зависит от присутствия легирующих элементов. Увеличение содержания углерода до 0,4 % повышает временное сопротивление до 2400 МПа, но углеродистая сталь имеет полностью хрупкое разрушение. Необходимый запас вязкости при такой или несколько меньшей прочности достигается совокупностью мероприятий, главные из которых направлены на подбор рационального состава стали, получение мелкого зерна, обязательного для высокопрочного состояния, повышение металлургического качества металла.

Повышение вязкости достигается, прежде всего, легированием никелем (1,5 – 3%). Чем больше его количество, тем ниже порог хладноломкости и больше допустимый уровень прочности. Вместе с ним вводят небольшое количество кремния, молибдена, вольфрама, ванадия. Эти элементы, затрудняя разупрочнение мартенсита при отпуске, позволяют несколько повысить температуру отпуска и тем самым полнее снять закалочные напряжения. Карбидообразующие элементы необходимы также для получения мелкого зерна. Хром и марганец вводят для обеспечения нужной прокаливаемости.

К распространенным высокопрочным сталям относятся 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА. Характерные механические свойства двух сталей, определенные на образцах с трещиной (значения приведены в скобках) и без нее, приведены в табл. 16.9.

Таблица 16.9

Механические свойства высокопрочных сталей

Обозначение	30ХГСНА	40ХГСН3ВА
σв, МПа	1850(1670)/1850(1570)	2000(1200)/1850(1560)
δ, %	13/15	11/12
ψ, %	50/53	43/45
KCU, МДж/м2	0,55/0,62	0,45/0,5
K1C, МПа · м1/2	60/65	45/60

Примечание. В числителе – свойства после закалки с 900 °C и низкого отпуска при 250 °C, в знаменателе – после изотермической закалки.

В самолетостроении широко применяют сталь 30ХГСНА, которая представляет собой хромансиль, улучшенную введением 1,6% Ni. Ее используют для силовых сварных конструкций, деталей фюзеляжа, шасси и т.п. При σ_в до 1650 МПа сталь подвергают изотермической закалке, поскольку по сравнению с низкоотпущенным состоянием она обеспечивает меньшую чувствительность к надрезам и более высокое сопротивление разрушению.

• Среднеуглеродистые стали, упрочненные термомеханической обработкой. Термомеханическая обработка (ТМО) совмещает два способа упрочнения: пластическую деформацию аустенита и закалку в единый технологический процесс. Такое комбинированное воздействие применительно к среднеуглеродистым легированным сталям (30ХГСА, 40ХН, 40ХН2МА, 38ХНЗМА и др.) обеспечивает высокую прочность (на образцах небольшого размера σ_в = = 2000...2800 МПа) при достаточном запасе пластичности и вязкости.

В зависимости от условий деформации аустенита (выше или ниже температуры рекристаллизации) различают соответственно высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханическую обработку.

При ВТМО (рис. 16.3, а) сталь деформируют при температуре выше температуры А₃ и сразу закаливают с тем, чтобы не допустить развития рекристаллизации аустенита. При НТМО (рис. 16.3, б) деформация проводится в области повышенной устойчивости аустенита (400 – 600 °C). Рекристаллизации при этих температурах не происходит, однако необходимо избегать образования бейнитных структур.

t

t

t

A₃

A₁

M_н

M_к





A₃

A₁

M_н

M_к

Дефор-мация

а б Рис. 16.3. Схема термомеханической обработки стали: а – ВТМО; б – НТМО ( – интервал температур рекристаллизации)

ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100 – 200 °C. При ТМО повышается весь комплекс механических свойств и особенно пластичность и вязкость, что наиболее важно для высокопрочного состояния. По сравнению с обычной обработкой прирост прочности при ТМО составляет 200 – 500 МПа, т.е. 10 – 20 %. Характеристики пластичности и вязкости повышаются в 1,5 – 2 раза.

Улучшение комплекса механических свойств обусловлено формированием специфического структурного состояния. Деформация создает в аустените высокую плотность дислокаций, образующих из-за процесса полигонизации устойчивую ячеистую субструктуру, которая наследуется мартенситом при закалке. При этом субграницы тормозят движение дислокаций и локализируют деформацию внутри зерна; в результате прочность повышается. В то же время субграницы ведут себя как полупроницаемые барьеры. Они допускают прорыв дислокаций, их передачу из мест скоплений в соседние субзерна. Это вызывает пластическую релаксацию локальных напряжений и служит причиной повышения пластичности и вязкости.

Наибольшее упрочнение (σ_в < 2800 МПа) достигается при НТМО. Однако ее проведение технологически более сложно, чем ВТМО. Она требует мощных деформирующих средств, так как для получения высокой прочности необходимы большие степени обжатия (50 – 90 %), а аустенит в области температур 400 – 600 °C не столь пластичен. Ее можно применять для изделий небольшого сечения и простой формы (лист, лента, прутки). Кроме того, НТМО пригодна для легированных сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита.

ВТМО обеспечивает меньшее упрочнение (σ_в < 2400 МПа), но более высокие пластичность и вязкость. Это обусловлено тем, что при высокой температуре трудно избежать частичной рекристаллизации аустенита. Она уменьшает также чувствительность к трещине (К_1с возрастает на 20 – 50 %), снижает порог хладноломкости, повышает сопротивление усталости и затрудняет разупрочнение при отпуске, что связано с устойчивостью ячеистых дислокационных структур мартенсита. Особенно эффективна ВТМО для чистого вакуумированного металла. Кроме того, ВТМО более технологична, так как аустенит выше точки А₃ пластичен и стабилен. При деформации не требуются большие степени обжатия; предельное упрочнение – 20 – 40%. Для ВТМО пригодны любые конструкционные стали.

Область ВТМО расширяет явление обратимости эффекта упрочнения, которое состоит в том, что свойства, полученные при ВТМО, наследуются после повторной закалки. Это позволяет закладывать определенный ресурс свойств в стальные полуфабрикаты в тонких сечениях (ленты, листы, трубы), подвергая их ВТМО на металлургическом заводе.

Улучшить свойства среднеуглеродистых легированных сталей можно холодной пластической деформацией низкоотпущенного мартенсита. Небольшая деформация (5 – 20 %) увеличивает временное сопротивление и особенно предел текучести сталей.

Наиболее высокая прочность (σ_в ≈ 3000 МПа) получена сочетанием ВТМО с последующей холодной пластической деформацией низкоотпущенных среднеуглеродистых сталей.

• Мартенситно-стареющие стали. Это особый класс высокопрочных материалов, превосходящих по конструкционной прочности и технологичности рассмотренные среднеуглеродистые стали. Их основа – безуглеродистые (< 0,03 % С) сплавы железа с 8 – 25 % Ni, легированные Со, Mo, Ti, A1, Cr и другими элементами (табл. 16.10).

Высокая прочность этих сталей достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного γ → α-превращения и старения мартенсита. Небольшой вклад вносит также легирование твердого раствора.

Никель стабилизирует γ-твердый раствор, сильно снижая температуру γ → α-превращения (см. рис. 16.11), которое даже при невысоких скоростях охлаждения протекает по мартенситному механизму.

Таблица 16.10

Химический состав и механические свойства мартенситно-стареющих сталей

Марка стали	Содержание элементов	σв	σ0,2	δ	ψ	KCU	KCT
		МПа		%		МДж/м2
03Н18К9М5Т 03Н12К15М10 03Х11Н10М2Т	18 Ni; 9 Co; 5 Mo; 0,9 Ti 12 Ni; 15 Co; 10 Mo 11 Cr; 10 Ni; 2 Mo; 0,9Ti; 0,2 Al	2100 2500 1600	1900 2400 1550	8 6 8	50 30 50	0,5 0,3 0,5	0,20 – 0,2

Мартенситно-стареющие стали закаливают от 800 – 860 °C на воздухе. При нагреве легирующие элементы Ti, Be, A1, Cu, Mo, обладающие ограниченной и переменной растворимостью в Fe_α, переходят в γ-раствор и при охлаждении не выделяются. Закалка фиксирует пересыщенный железоникелевый мартенсит. Благодаря высокому содержанию никеля, кобальта и малой концентрации углерода дислокации в нем обладают высокой подвижностью. Поэтому железоникелевый мартенсит при прочности σ_в = 900...1000 МПа имеет высокую пластичность (δ = 18...20 %, ψ = 75...85 %), вязкость (KCU = 2...3 МДж/м²) и малую способность к упрочнению при холодной деформации. Последнее позволяет деформировать закаленные стали с большими степенями обжатия.

Основное упрочнение достигается при старении (480 – 520 °C), когда из мартенсита выделяются мелкодисперсные частицы вторичных фаз (Ni₃Ti, NiAl, Fe₂Mo, Ni₃Mo и др.), когерентных с матрицей. Наибольшее упрочнение при старении вызывают Ti и А1, меньшее – Сu и Мо. Для мартенситно-стареющих сталей характерен высокий предел текучести (табл. 9.10) и более высокий, чем у лучших пружинных сплавов, предел упругости (σ_0,002 = 1300 МПа), низкий порог хладноломкости.

При прочности σ_в = 2000 МПа и более стали разрушаются вязко, хотя сопротивление распространению трещины у них невелико (КСТ ≈ 0,2МДж/м²). Малая чувствительность к надрезам, высокое сопротивление хрупкому разрушению обеспечивают высокую конструкционную прочность изделий в широком диапазоне температур от криогенных до 450 – 500 °C. При содержании Cr около 12 % стали являются коррозионно-стойкими.

Другое важное достоинство этого класса сталей – высокая технологичность.

Они обладают неограниченной прокаливаемостью, хорошо свариваются, до старения легко деформируются и обрабатываются резанием. При термической обработке практически не происходит коробления и исключено обезуглероживание.

Стали со стареющим мартенситом, несмотря на высокую стоимость, применяют для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и как пружинный материал в приборостроении.

• Метастабильные аустенитные стали (трипстали) – особый класс высокопрочных материалов повышенной пластичности. Они относятся к высоколегированным сталям. Их состав ориентировочно (согласно маркировке) можно выразить в виде 25Н25М4Г, 30Х9Н8М4Г2С2. Его подбирают таким образом, чтобы после закалки от температуры 1000 – 1100 °C стали имели устойчивую аустенитную структуру (M_н лежит ниже 0°), которая обладает высокой вязкостью, но низким пределом текучести. Для упрочнения стали подвергают специальной тепловой обработке – пластической деформации с большими степенями обжатия (50 – 80%) при температуре 400 – 600 °C, лежащей ниже температуры рекристаллизации. При этом деформационное упрочнение (наклеп) совмещается с карбидным упрочнением, развивающимся в результате деформационного старения. Насыщенная дислокационная структура, создаваемая пластической деформацией, дополнительно стабилизируется выделяющимися дисперсными частицами карбидов. В результате деформационно-термического упрочнения предел текучести повышается до 1800 МПа. При этом сталям свойственны высокая пластичность (больше 20%) и трещиностойкость. Значения δ и K_1C у этих сталей больше, чем у других высокопрочных сталей (рис. 16.4).

Высокая пластичность и вязкость разрушения обусловлены развитием мартенситного превращения в процессе деформирования. Дело в том, что при тепловой обработке аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами и становится менее устойчивым (метастабильным). Благодаря этому повторная пластическая деформация вызывает превращение метастабильного аустенита в мартенсит деформации. Механизм повышения пластичности и вязкости разрушения связан с «залечиванием» – локальным упрочнением аустенита в участках пластического течения (в том числе и у вершин движущейся трещины). Образующийся в таких участках мартенсит деформации упрочняет их настолько, что они перестают быть слабыми участками и деформация распространяется на соседние участки.

Применение метастабильных аустенитных сталей ограничивается сложностью деформационно-термического упрочнения. Для высоких степеней деформации при низких температурах требуются мощные деформирующие средства. Области применения сталей: детали авиаконструкций, броневой лист, проволока тросов и др.

На рис. 16.5 показаны области значений прочности и пластичности высокопрочных сталей различных классов. Видно, что наибольшей прочностью обладают среднеуглеродистые стали после термомеханической обработки, а наибольшей пластичностью при одинаковой прочности – метастабильные аустенитные стали.

K1с, МПам2 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 600 1400 2200 0,2, МПа 1 2 3 Предел текучести
Рис. 16.4. Вязкость разрушения высокопрочных сталей: 1 – метастабильных аустенитных; 2 – мартенситно-стареющих; 3 – хромоникелевых	Рис. 16.5. Соотношение между пределом текучести и пластичностью высокопрочных сталей: 1 – среднеуглеродистых, упрочненных ТМО; 2 – мартенситно-стареющих; 3 – среднеуглеродистых легированных без ТМО; 4 – метастабильных аустенитных