Легированные высокопрочные стали.

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

Развитие техники, стремление к созданию машин наименьшей массы требуют применения высокопрочных сталей, имеющих Для предупреждения хрупкого разрушения таким сталям необходим определенный запас вязкости (минимально допустимая величина Кроме того, расчет рабочих напряжений в деталях из этих сталей необходимо вести не только по значению но и по предельно допустимому размеру дефекта с использованием критерия 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: 1) среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей после низкого отпуска или термомеханической обработки; 2) мартенситно-стареющих сталей; 3) метастабильных аустенитных сталей.

Среднеуглеродистые комплекснолегированные низкоотпущенные стали.

ТАБЛИЦА 8.7. Механические свойства высокопрочных сталей

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 (см. рис. 8.5), но углеродистая сталь имеет полностью хрупкое разрушение. Необходимый запас вязкости при такой или несколько меньшей прочности достигается совокупностью мероприятий (см. п. 7.3), 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 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 стали Характерные механические свойства двух сталей, определенные на образцах с трещиной и без нее, приведены в табл. 8.7. В самолетостроении широко применяют сталь которая представляет собой хромансиль, улучшенную введением Ее используют для силовых сварных конструкций, деталей фюзеляжа, шасси и т. п. При временном сопротивлении до 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 механизма упрочнения — пластическую деформацию аустенита и закалку — в единый технологический процесс. Такое комбинированное воздействие применительно к среднеуглеродистым легированным сталям — и другим - обеспечивает высокую прочность (на образцах небольшого размера 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. 8.10, а) сталь деформируют при температуре выше температуры и немедленно закаливают с тем, чтобы не допустить развития рекристаллизации аустенита. При НТМО (рис. 8.10, б) деформация проводится в области повышенной устойчивости аустенита (400 — 600 °С). Рекристаллизация при этих температурах не происходит, однако необходимо избегать образования бейнитных структур.

Рис. 8.10. Схема термомеханической обработки стали: (заштрихованная зона — интервал температур рекристаллизации)

ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100-200 °С. 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 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 повышенных пластичности и вязкости.

Наибольшее упрочнение 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 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 но более высокие пластичность и вязкость. Она уменьшает также чувствительность к трещине возрастает на 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 пластичен и стабилен. При деформации не требуются большие степени обжатия; предельное упрочнение достигается при деформации на 20 — 40%. Для ВТМО пригодны любые конструкционные стали.

Область ВТМО расширяет явление обратимости эффекта упрочнения. Оно состоит в том, что свойства, полученные при ВТМО, наследуются после повторной закалки. Это позволяет закладывать определенный ресурс свойств в стальные полуфабрикаты (поковки, прутки, листы и т. п.), 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 (до 25%) сталей.

Наиболее высокая прочность получена сочетанием ВТМО и последующей холодной пластической деформации образцов из низкоотпущенных среднеуглеродистых сталей.

Мартенситно-стареющие стали. Это особый класс высокопрочных материалов, превосходящих по конструкционной прочности и технологичности рассмотренные выше среднеуглеродистые стали.

Их основа - безуглеродистые сплавы железа с содержанием легированные и другими элементами (табл. 8.8).

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

Никель стабилизирует у-твердый раствор, сильно снижая температуру -превращения (см. рис. 3.20), которое даже при невысоких скоростях охлаждения протекает по мартенситному механизму.

Мартенситно-стареющие стали закаливают от на воздухе. При нагреве легирующие элементы обладающие ограниченной и переменной растворимостью в переходят в у-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 имеет высокую пластичность вязкость и малую способность к упрочнению при холодной деформации. Последнее позволяет деформировать стали с большими степенями обжатия.

Основное упрочнение достигается при старении (480— 520 °С), когда из мартенсита выделяются мелкодисперсные частицы вторичных фаз и др.), когерентно связанные с матрицей. Наибольшее упрочнение при старении вызывают меньшее Для мартенситно-стареющих сталей характерен высокий предел текучести (см. табл. 8.8) и более высокий, чем у лучших пружинных сплавов, предел упругости низкий порог хладноломкости.

При прочности и более стали разрушаются вязко, хотя сопротивление распространению трещины у них невелико Малая чувствительность к надрезам, высокое сопротивление хрупкому разрушению обеспечивают высокую конструкционную прочность изделий в

ТАБЛИЦА 8.8. Свойства мартенситно-стареющих сталей

широком диапазоне температур от криогенных до 450-500 °С.

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) - новый класс высокопрочных материалов повышенной пластичности. Они относятся к высоколегированным сталям. Их состав, который ориентировочно может быть выражен марками подобран таким образом, чтобы после закалки от температуры 1000-1100 °С они имели устойчивую аустенитную структуру ( лежит ниже 0°С). Аустенитная структура обладает высокой вязкостью, но низким пределом текучести. Для упрочнения стали подвергают специальной тепловой обработке - пластической деформации с большими степенями обжатия (50-80%) при температуре 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 При этом сталям свойственны высокая пластичность и трещиностойкость.

Рис. 8.11. Вязкость разрушения высокопрочных сталей: 1 - метастабильных аустенитных; 2 — мартенситно-стареющих; 3 — хромоникелевых

Значения и у этих сталей больше, чем у других высокопрочных сталей (рис. 8.11).

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 (ме-тастабильным). Благодаря этому повторная пластическая деформация вызывает превращение метастабильного аустенита в мартенсит деформации. Механизм повышения пластичности и вязкости разрушения связан с -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:

Рис. 8.12. Соотношение между пределом текучести и пластичностью высокопрочных сталей: 1 — среднеуглеродистых, упрочненных ТМО; 2 — мартенситно-стареющих; 3 — среднеуглеродистых легированных без ТМО; 4 — метастабильных аустенитных

детали авиаконструкций, броневой лист, проволока тросов и др.

Взаимное расположение высокопрочных сталей различных классов по прочности и пластичности представлено на рис. 8.12. Из него видно, что наибольшей прочностью обладают среднеуглеродистые стали после термомеханической обработки, а наибольшей пластичностью при одинаковой прочности - метастабильные аустенитные стали.