5. Высокопрочные стали

В предыдущих двух параграфах были рассмотрены конструкционные стали, термически обрабатываемые на и структуру — отпущенный мартенсит (низкоуглеродистая сталь) или сорбит (среднеуглеродистая сталь).

При такой структуре и прочности сталь обладает высокой пластичностью и вязкостью и ее можно применять для деталей сложной формы, подвергающихся динамическим и усталостным нагрузкам.

Однако новейшая техника стала предъявлять более высокие требования к прочности; для ряда назначений требуется материал с прочностью и более, причем условия работы и конфигурация детали (например, лист) позволяют иметь более низкую пластичность и вязкость по сравнению с обычной улучшаемой сталью. Высокая прочность достигается подбором стали и специфической обработкой. Такие стали, обработанные на высокую прочность называются высокопрочными сталями.

К таким сталям прежде всего следует отнести стали обычного состава, но мелкозернистые и высокочистые. В этом случае закалка с отпуском при при прочности обеспечивает удовлетворительную пластичность и вязкость (см. п. 1 этой главы). Но есть и некоторые другие способы получения удовлетворительной вязкости при высокой прочности.

Легирующие элементы, и особенно карбидообразующие легирующие элементы, задерживают процессы разупрочнения при отпуске. Если конструкционная сталь с обычным содержанием углерода (около содержит повышенное количество карбидообразующих элементов (хром, молибден, вольфрам, в особенности, ванадий), то твердость ее не снижается до высоких температур отпуска (500—550 °С, рис. 294). Если вместо отпуска на максимальную прочность применить отпуск то при этом в большей мере снимутся закалочные напряжения и можно ожидать большей вязкости.

Можно указать на сталь такого состава: (марка После закалки с и отпуска она приобретает механические свойства: (цифры относятся к вакуумному металлу).

Понижение порога хладноломкости и увеличение содержания волокна в изломе приводит к повышению механических свойств. Наиболее простым решением вопроса является введение в сталь никеля — элемента, понижающего температуру перехода в хладноломкое состояние и поэтому увеличивающего долю волокна в изломе в высокопрочной стали. В связи с этим улучшаются вязкие свойства, однако в обычных сталях нельзя увеличить содержание никеля свыше так как появляется остаточный аустенит (имеющий пониженную прочность, а продукты его распада пониженную вяз кость), понижается точка и нельзя провести высокий отпуск.

Рис. 294. Влияние температуры отпуска на твердость сталей:

Рис. 295. Влияние кобальта на мартенситную точку (1) и количество остаточного аустенита (2) в стали, содержащей

Решение задачи применения высоконикелевой стали состояло в одновременном легировании стали никелем и кобальтом. Кобальт повышает мартенситную точку (рис. 295) и уменьшает поэтому количество остаточного аустенита. Одновременно кобальт повышает точку и позволяет провести операцию высокого отпуска.

В качестве примера сталь, содержащую , обладающую после обычной термической обработки (закалка отпуск при высоким комплексом пластических и вязких свойств что равноценно стали но при

Тот же путь повышения вязкости, т. е. снижения порога хладноломкости достигается не только легированием никелем, но и использованием мелкого (№ 8—10) и ультрамелкого (№ 11—13) зерна. Измельчение зерна, как указывалось выше, приводит к снижению порога хладноломкости и, следовательно, к увеличению доли волокна в изломе стали. Измельчить зерно возможно, применяя высокие скорости нагрева, или высокотемпературной термомеханической обработкой, фиксируя закалкой состояние окончания стадии рекристаллизации обработки, но до начала собирательной рекристаллизации.

На рис. 296 были приведены данные по влиянию углерода на свойства стали типа обработанной по режимам обычной термической обработки (ОТО) и высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО). В первом случае получали зерно № 4—5, а во втором — № 8. Видно, что ВТМО не привело к повышению прочности, но заметно увеличило пластичность и сопротивление хрупкому разрушению

Рис. 296. (см. скан) Влияние углерода на прочность пластичность и работу распространения трещины. Сталь типа

Рис. 297. Вязкость разрушения высокопрочных сталей: 1 — ЗОХНЗМ; 2 — мартенситностареющая: 3 — трип-сталь

Используя ВТМО применительно к чистой вакуумированной стали (например, марки можно при получить примерно такие свойства: для получения высоких свойств изучено весьма подробно, хотя из-за технологических трудностей не получило столь широкого применения, какой она заслуживала.

Другие способы измельчения зерна (введение в высокопрочную сталь нитридов, скоростные нагревы и т. п.) находятся в стадии внедрения.

Существует также способ повышения прочности сталей со структурой среднеуглеродистого мартенсита — это небольшая пластическая деформация уже термически обработанной стали (МТО — см. выше с. 255) при этом, как правило, прочность не изменяется,

а предел текучести возрастает, достигая практически значения предела прочности.

В рассмотренных ранее случаях упрочнение (высокая плотность дислокаций) достигалось мартенситным превращением. Образующийся мартенсит в углеродсодержащих сталях имеет мелкоблочное строение и большие напряжения второго рода. Уменьшение содержания углерода уменьшает ширину размытия линий рентгенограммы мартенсита (уменьшает плотность дислокаций в мартенсите) и при очень малом содержании углерода (например, 0,03 % С) прочность мартенсита (игольчатого феррита) не превосходит 100 — 120 кгс/мма. Однако, если феррит (мартенсит) содержит элементы, образующие интерметаллидные фазы, то возможен вторичный процесс дисперсионного твердения, связанного с выделением (обособлением) интерметаллидных фаз.

В последнее время разработаны стали интерметаллидного упрочнения (так называемые мартенситно-стареющие стали — американское название Марэджинг), в которых при закалке получается практически безуглеродистый мартенсит, а затем при отпуске (примерно при происходит выделение интерметаллидных фаз. При этом

Обычно эти мартенситно-стареющие стали содержат и дополнительно легированы титаном и алюминием и часто кобальтом и молибденом. Имеются варианты состава с меньшим (до и большим (до содержанием никеля.

Наличие никеля и титана необходимо для образования интерметаллидных фаз, вызывающих старение, типа или (титан частично может быть заменен алюминием). Содержание углерода должно быть минимальным , иначе возможно образование не этих фаз, а карбидов, что ухудшит эффект дисперсионного твердения.

Ввиду высокого содержания легирующих элементов и низкого содержания углерода охлаждение при закалке можно осуществлять с любой скоростью без опасения образования немартенситных продуктов превращения аустенита. В наиболее распространенной по составу стали типа «стареющей мартенсит» с мартенситное превращение начинается при и заканчивается фактически полностью остаточного аустенита) при комнатной температуре. При содержании никеля более мартенситное превращение заканчивается в области отрицательных температур, для этих сталей требуется обработка холодом и свойства получаются более высокие (см. ниже).

Полученный при «закалке» мартенсит обладает невысокой прочностью и очень высокой пластичностью. В таком «закаленном» состоянии сталь можно подвергать деформации, обработке резанием и другим технологическим операциям.

Окончательные прочностные свойства формируются при последующем отпуске (старении) при 480—500 °С.

Примерные механические свойства стали с Стали с

При таком высоком содержании никеля разрушение происходит при всех уровнях прочности и температурах вязко, хотя значение уменьшается с увеличением прочности и при становится равной всего лишь

Состав некоторых мартенситно-стареющих сталей приведен в табл. 34.

Сравнительно недавно разработан еще один класс высокопрочных сталей повышенной пластичности, названный трипсталями.

Таблица 34. (см. скан) Состав и механические свойства мартенситно-стареющих сталей

Сочетание высокой прочности и пластичности создается подбором определенного состава стали, режимом термической обработки и температурной деформации.

Состав стали должен быть таков, чтобы закалкой фиксировалась при комнатной температуре чистая аустенитная структура (точка должна лежать ниже комнатной температуры, а выше.

Деформация при комнатной температуре ведет к образованию мартенсита. Таким образом, исходное, аустенитное, сравнительное малопрочное состояние в процессе испытания (или эксплуатации) в результате пластической деформации превращается в высокопрочное, мартенситное.

Типичный состав трип-стали таков: или Есть и другие составы трип-стали.

Особенно важное свойство этих сталей — высокое сопротивление развитию трещины. Так, например, вязкость разрушения (интенсивность напряжения в устье трещины обычной хромоникель-молибденовой стали при составляет около мартенситно-стареющей стали при той же прочности — около а у трип-стали — свыше (рис. 297).

В настоящий момент трип-стали, по-видимому, являются материалом с самым высоким сочетанием прочности и вязкости, т. е. самым надежным конструкционным материалом.