Низко отпущенные высокопрочные стали

Достоинством сталей является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя их состав и вид обработки.

Стали подразделяют на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали - это основной конструкционный материал, который используют в различных областях промышленности. Они проще в производстве и значительно дешевле легированных. Свойства их определяются количеством углерода и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеродом.

Влияние углерода

Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т. е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Как видно из графика, приведенного на рис.1, прочность повышается только до 1 % С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность 
[pic]

Рис.1. Зависимость свойств горячекатаной углеродистой стали от содержания углерода

стали. Кроме углерода, в стали есть еще другие элементы - примеси, присутствие которых обусловлено разными причинами. Различают постоянные, скрытые, случайные и специально введенные примеси.

Влияние примесей

Постоянные примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера.

Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т.е. для удаления FеО, поэтому их также называют технологическими: примесями.

Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS в стали: FeS+Mn(MnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в феррите, повышая его прочность; марганец может также растворяться в цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7 - 0,8 % Мn и до 0,5 % 
Si.

Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным сырьем-чугуном. Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение 
FeS-сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика 
(Fе+FеS) с температурой плавления 988 (С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900 (С сталь становится хрупкой. 
При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется красноломкость. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620 (С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Содержание серы в сталях допускается не более 0,06 %.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки стали. До 1,2 % фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0,05 %.Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.

Содержание серы и фосфора в стали зависит от способа ее выплавки.

Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях. Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10-2- 
10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются. Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.

Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а стали, их содержащие - легированными сталями.

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1-0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать 
1 %.

В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства. Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств.

Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

4. 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 (в 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 (в=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 низкотемпературного отпуска при 200 (С имеет (в=2000 МПа при (=10 %, (=40 % и КСU=0,3 МДж/м2. 
Стали 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСНЗВМ и 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 (в=1600(1850 МПа при 
((15(12 % и КСU=0,4(0,2 МДж/м2. 
Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, сталь 30ХГСА, 
40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после 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 (Марэйджинг) стали. Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием 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 Аl; 0,15–1,6 % Тi; 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.

Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицитность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились так называемые «экономнолегированные» мартенситностареющие стали:Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Л2ТЮ, 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.

Литература

 

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.