Прочность сталей, определяемая стандартным мето­ дом, при медленном нагружении в условиях одноосного растяжения при вязком разрушении зачастую не реали­ зуется в более сложных условиях эксплуатации (сложно­ напряженное состояние, динамическое и циклическое нагружение, низкая температура эксплуатации, коррози­ онно-активная среда и т.п.). Степень реализации прочно­ сти в конструкции можно определить как отношение прочности при разрушении в конкретных условиях рабо­ ты детали к пределу прочности, определенному при стандартных испытаниях.

Преждевременное разрушение наступает вследствие неоднородности распределения напряжений в объеме де­ тали. Накапливающиеся локальные пики напряжений превышают предел прочности и приводят к образованию трещины критического размера. Конструкционная проч­ ность зависит от возникновения неоднородности напря­ жений в ходе деформации, образования пиков напряже­ ний у препятствий движению дислокаций, ослабления прочности в результате наличия хрупких составляющих и структурных образований с пониженной прочностью.

Образование локальных пиков напряжений обу­ словлено внутренними и внешними факторами. Внут­ ренние факторы - структура и химический состав во многом определяют реализуемый механизм упрочнения и износа. Внешние факторы, условия нагружения, вклю­ чают: вид напряженного состояния, способ нагружения (статический, динамический, циклический), температуру эксплуатации, среду, давление и т.п. Эффективность воз­ действия внутренних и внешних факторов на величину и неоднородность распределения локальных пиков на­ пряжений зависит в результате от соотношения скорости релаксации пиков напряжений со скоростью деформации (упрочнения).

Традиционные конструкционные стали с содержа­ нием углерода 0,20-0,40 % обладают рядом недостатков

при реализации конструкционной прочности и понижен­ ной технологичностью при изготовлении термоупроч­ ненных деталей. Содержание углерода в мартенсите бо­ лее 0,2 % полностью закрепляет дислокации в закален­ ной стали, а после отпуска выделяющиеся карбиды ограничивают подвижность дислокаций, т.е. релаксаци­ онную способность мартенситной структуры. Кроме то­ го, в мартенсите таких сталей присутствует большое ко­ личество двойниковых границ, непреодолимых для дис­ локаций. Углерод контролирует процессы превращения и способствует образованию гетерогенной структуры, содержащей перлит, верхний и нижний бейнит, что при­ водит к повышению критической температуры хрупко­ сти. Для обеспечения полной закалки необходимо повы­ шать скорость охлаждения, применяя экологически вредные жидкости: техническую воду, минеральные масла, синтетические среды. Ускоренное охлаждение вы­ зывает напряжения, приводящие к короблению и дефор­ мации, а также формированию остаточных напряже­ ний, возникает опасность образования трещин, посколь­ ку свежезакаленный углеродистый мартенсит является хрупким.

Наибольшую скорость релаксации в конструкцион­ ных сталях обеспечивает однородная структура с макси­ мальной плотностью сохраняющих подвижность дисло­ каций. В такой структуре при малом содержании леги­ рующих элементов реализуется преимущественно два механизма упрочнения - дислокационный и зерногра­ ничный.

Мартенситное превращение является основой со­ временного способа упрочнения конструкционных ста­ лей. Традиционные направления повышения прочности сталей включают закалку на мартенсит и отпуск. Уже в середине прошлого века стало ясно, что дальнейшее совершенствование среднеуглеродистых сталей малоэф­ фективно. В 80-е гг. XX века был создан новый класс конструкционных низкоуглеродистых мартенситных

сталей (НМС), содержащих менее 0,2 % С, реечная структура которых обеспечивает высокую подвижность дислокаций при их высокой плотности (Ю10-12 см"2). НМС обладают повышенной конструкционной прочно­ стью и технологичностью относительно традиционных конструкционных сталей с прочностью 800-1400 Н/мм2

[ 1, 2].

Структура низкоуглеродистого мартенсита (НМ) по­ зволяет осуществлять совмещенный процесс горячего формообразования с закалкой на воздухе, обеспечивает хорошую свариваемость в термоупрочненном и ото­ жженном состояниях всеми способами сварки без пред­ варительного подогрева и ограничений времени между сваркой и отпуском. Стали со структурой НМ не склонны к образованию холодных и горячих трещин, закаливают­ ся охлаждением на спокойном воздухе, не склонны к де­ формации при закалке и сварке, хорошо деформируются в закаленном состоянии, подвергаются поверхностному упрочнению всеми видами химико-термической обработ­ ки и наплавке. Низкоуглеродистые мартенситные стали характеризуются глубокой прокаливаемостью, высокой ударной вязкостью, низкой критической температурой хрупкости гкр. Продукцию из этих сталей производят в виде листа, ленты, сортового проката, поковок, штам­ повок и труб. Исключение из процесса термического уп­ рочнения в жидких охлаждающих средах и возможность реализации совмещенного процесса обеспечивают эколо­ гически безопасную технологию получения продукции.

Характерный размер ширины реек низкоуглероди­ стого мартенсита составляет от десятых до сотых до­ лей мкм, а значит, НМС имеют субмикронный и нанометрических размер одного из элементов структуры.

В Концепции развития в Российской Федерации ра­ бот и области нанотехнологий на период до 2010 года, одобренной Правительством Российской Федерации (18 ноября 2004 г.), используются следующие термины:

• нанотехнология - совокупность методов и прие­ мов, обеспечивающих возможность контролируемым об­

разом создавать и модифицировать объекты, включаю­ щие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осущест­ влять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

• наноматериалы - материалы, содержащие струк­ турные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обла­ дающие качественно новыми свойствами, функциональ­ ными и эксплуатационными характеристиками;

• наносистемная техника - полностью или час­ тично созданные на основе наноматериалов и нанотех­ нологий функционально законченные системы и устрой­ ства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств анало­ гичного назначения, созданных по традиционным техно­ логиям;

• «наноиндустрия» - вид деятельности по созда­ нию продукции на основе нанотехнологий, наноматериа­ лов и наносистемной техники.

Актуальность и важность указанных работ опреде­ лили необходимость включения научных направлений, связанных с нанотехнологиями, в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Пре­ зидентом Российской Федерации.

НМС нашли применение в общем и специальном машиностроении для изделий нефтедобывающей про­ мышленности, грузоподъемных механизмов, строитель­ ной и специальной техники, работающих в тяжелых ус­ ловиях, в сложнонапряженном состоянии при статиче­ ских, динамических и циклических нагрузках, при низких температурах до минус 70 °С, при повышенных температурах до плюс 500 °С, а с поверхностным упроч­ нением - в износостойких деталях. Сочетание высоких конструкционной прочности и технологичности в изго­ товлении обеспечили НМС наилучшее соотношение цена/качество.

При подготовке учебного пособия были использо­ ваны результаты исследований, полученные под науч­ ным руководством д-ра техн. наук, проф. JLM. Клейнера, в которых принимали участие: д-р техн. наук Ю.Н. Си­ монов; ведущий инженер И.В. Толчина, канд. техн. наук С.А. Коковякина, канд. техн. наук А.С. Иванов, канд. техн. наук Л.Ц. Заяц, канд. техн. наук Т.В. Некрасова, канд. техн. наук Е.Б. Сюзева, канд. техн. наук А.П. Ка­ менских.

Авторы выражают благодарность аспиранту Д.М. Да­ ринину за помощь в подготовке работы к публикации.

Глава 1. СТРУКТУРНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НМС

1.1.Сопоставление сталей

страдиционными типами структур и НМ

Прочность сталей, определяемая стандартными ме­ тодами, при медленном нагружении в условиях одноос­ ного растяжения при вязком разрушении зачастую не реализуется в более сложных условиях эксплуатации (сложнонапряженное состояние, динамическое и цикли­ ческое нагружение, низкая температура эксплуатации, коррозионноактивная среда и т.п.).

Традиционные конструкционные стали с содержа­ нием углерода 0,18-0,40 % обладают рядом недостатков, не позволяющих реализовать высокую конструкционную прочность, и характеризуются пониженной технологич­ ностью при изготовлении термоупрочненных деталей.

Степень реализации прочности в конструкции мож­ но определить как отношение прочности в момент раз­ рушения в конкретных условиях эксплуатации детали к пределу прочности, определенному при стандартных испытаниях.

Преждевременное разрушение наступает вследствие неоднородности распределения напряжений в объеме

и/или на поверхности детали. Накапливающиеся ло­ кальные пики напряжений, превышают предел прочно­ сти и приводят к образованию трещины критического размера.

Различают внутренние и внешние причины, опреде­ ляющие локальную концентрацию напряжений. Внут­ ренние факторы обусловлены структурой и химическим составом, другими словами, реализуемым механизмом упрочнения и износа. Внешние факторы - условия на­ гружения: сложнонапряжённое состояние, динамическое и циклическое нагружение, температура эксплуатации, коррозионноактивная среда и давление и т.п.

В процессе охлаждения традиционных сталей, содержащих углерода выше некоторого значения (0,20-0,40 %), при температуре ниже 500 °С протекает бейнитное превращение, в результате чего ограничивает­ ся прокаливаемость, повышается Т^. Значительные затруднения возникают при сварке, поскольку в зоне термического влияния образуются малопластичный мар­ тенсит и бейнит, приводящие к образованию холодных трещин.

Неотъемлемым элементом бейнитного превращения является перераспределение углерода, который отводит­ ся в участки остаточного аустенита с концентрацией, существенно превышающей среднюю. Образуется боль­ шая неоднородность по углероду, и при охлаждении воз­ никают островки высокоуглеродистого мартенсита и ос­ таточного аустенита [3,4]. Исключить образование бейнита можно только ускоренным охлаждением, что приводит, в свою очередь, к возникновению остаточных напряжений, вызывающих коробление, поводку или об­ разование трещин.

Свариваемые бейнитные стали типа 14Х2ГНР, 12Х2НМФА, 14ХСНД, 14ХГН2МДАФБ трудно закалить в деталях большого размера - возникают неоднородность свойств, значительные напряжения, понижается вяз­ кость, хладостойкость, при сварке в зоне термического