5. Высокопрочные стали

Высокопрочными называют стали с временным сопротивлением более 1500 МПа. Высокопрочное состояние может быть дости­гнуто при использовании средне- и высокоуглеродистых комплекс-нолегированных сталей после закалки и низкого отпуска. Однако при этом происходит снижение пластичности и вязкости стали, что может привести к хрупким разрушениям деталей и конструк­ций. Применение низкоотпущенных высокопрочных сталей воз­можно лишь в тех случаях, когда по условиям работы отсутствуют динамические нагрузки.

Современными направлениями достижения высокопрочного состояния без снижения работоспособности конструкций явля­ются такие методы упрочняющей обработки стали, как термо­механическая обработка, и использование таких новых высоко­прочных материалов, как мартенситностареюшие стали (МСС) и ПНП-стали — (ПНП — пластичность, наведенная превраще­нием).

Высокопрочные мартенситностареющие стали характери­зуются высокими значениями прочности ( — 2000 МПа; = 1200 МПа) в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью. Опасность хрупких разрушений уменьшается благодаря мини­мальному содержанию углерода (не более 0,03 %).

Упрочнение сталей достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного ( )-превращения и старения мар­тенсита. Основным легирующим элементом является никель, содержание которого составляет 17—26 %. Для более эффектив­ного протекания процесса старения мартенсита стали дополни­тельно легированы Ti, Al, Mo, Mb, а также Со.

Широкое распространение имеет сталь ОЗН18К9М5Т, содержа­щая, % не более 0,03 С, 17—19 Ni; 7—9 Со; 4—6Mo;0,5—1 Ti.

Сталь ОЗН18К9М5Т подвергают закалке на воздухе при 800— 850 °С. После закалки сталь имеет структуру безуглеродистого мартенсита со следующими свойствами: б_в = 1200 МПа: а_0,2 = = 1000 МПа; б = 20 %; = 75 %; KCU = 2,0 МДж/м². В за­каленном состоянии сталь хорошо обрабатывается давлением, резанием.

Мартенситностареющая сталь получает основное упрочнение при старении, т. е. отпуске при 450—500 °С. Упрочнение при старении связано с выделением из мартенсита дисперсных частиц интерметаллидов типа Ni₃Ti, NiTi, Fe₂Mo, Ni₃(Ti, Al). Если интерметаллидные фазы находятся на стадии предвыделения, когда они еще когерентно связаны с твердым раствором и имеют очень малые размеры, то в этом случае достигается наибольшее упрочнение. Легирование кобальтом увеличивает эффект старе­ния. Механические свойства после старения б_в = 2000 МПа, а_0,2 = 1800 МПа, б = 12 %, Ц = 50 %, KCU = 0,50 МДж/м». При высокой прочности сталь сохраняет высокое сопротивление хрупкому разрушению. При температуре —196 °С сталь имеет б_в = 2400 МПа, =10%, KCU = 0,30 МДж/м². Сталь ОЗН18К9М5Т теплоустойчива до 450 °С.

Мартенситностареющие стали применяют в самолетостроении, в 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.

Высокопрочные ПНП-стали относятся к классу аустенитных сталей. Одна из применяемых марок содержит, %: 0,3 С, 8—10 Сг; 8—10 Ni; 4 Mo; 1—2,5 Мп, до 2 Si. После закалки от 1000— 1100°С и получения при комнатной температуре аустенитной структуры (точки М_Д и М_н лежат ниже 0°С), сталь подвергают деформации при 450—600 °С. При деформации происходит на­клеп аустенита, выделение из него углерода и легирующих эле­ментов с образованием дисперсных карбидов (дисперсионное упрочнение). Благодаря обеднению аустенита этими элементами точка М_л смещается в область положительных температур, а точка М_н остается ниже комнатной температуры. В результате такой обработки ПНП-стали приобретают высокую прочность ( 1800 МПа, 1400 МПа) при высокой пластичности ( 30 %).

Высокая пластичность обусловлена различием температурных уровней начала мартенситного превращения М„ и начала обра­зования мартенсита деформации М_д. Так как ПНП-стали имеют точку М_н ниже, а точку М_Д выше комнатной температуры, то при испытаниях на растяжение происходит локализация дефор­мации, аустенит только на этом участке превращается в мартенсит и упрочняется, вследствие чего деформация сосредотачивается

в соседних объемах. Превращение аустенита в мартенсит не дает локализоваться деформации, шейка в образце при испыта­ниях на растяжение не образуется, благодаря чему реализуется высокая пластичность стали.