Прочные стали: ликбез для потребителя

Прочные стали: ликбез для потребителя

Всем понятно, что атомы в металлах размещены не в случайном порядке, а образуют некоторую упорядоченную структуру — кристаллическую решетку. Но попытка на теоретическом уровне оценить крепкость таковой решетки приводит к феноминальному результату: рассчитанное значение в тыщи раз превосходит реальную крепкость металлов. Разгадка ординарна: в мире не существует ничего безупречного, в том числе и безупречных кристаллических решеток. Конкретно присутствие изъянов в структуре металлов ограничивает и определяет их крепкость.

Недостатки в металлах образуются в процессе затвердевания и механической обработки, в процессе термообработки. Более того, учеными установлено, что стопроцентно избавиться от присутствия изъянов в кристаллических решетках жестких тел в принципе нереально: это противоречило бы принципам термодинамики.

Но всесторонние исследования параметров металлов позволяют установить закономерности развития дефектной структуры, их связи со качествами материалов, что в итоге приводит к созданию новых сплавов с усовершенствованными эксплуатационными чертами. Также этому процессу содействует неизменное увеличение требований к конструкционным материалам. А именно, ужесточение критерий работы машин и устройств, рвение повысить их производительность и продлить срок службы, привело к возникновению и развитию нового класса материалов — прочных сталей. Много этому содействовало развитие авиации, астронавтики и ракетостроения — областей, где соотношение массы конструкции и полезной грузоподъемности играет решающую роль.

В западной и российскей литературе приняты разные подходы к определению понятия «высокопрочные стали». В американской литературе прочными (high-strength steel) именуют стали, имеющие предел текучести от 260 до 560 МПа. При таком разделении, в группу high-strength попадают все стали не считая мягеньких малоуглеродистых. Стали, имеющие предел текучести 560 МПа и выше относят к высокопрочным (ultra high-strength steel). Встречаются и поболее детализированные систематизации, включающие три либо четыре группы сталей. В российскей литературе прочными принято именовать стали, имеющие предел прочности выше 1300-1500 МПа.

Необходимыми чертами прочных сталей кроме больших значений предела прочности и предела текучести, являются трещиностойкость и сохранение на применимом уровне пластичности. Огромное внимание уделяется также таковой их характеристике как свариваемость.

К прочным сталям следует отнести последующие виды:

  1. Среднелегированные низкоотпущенные стали;
  2. Мартенситно-стареющие стали;
  3. ПНП-стали (TRIP steel, TRIPassisted steel).

Среднелегированные низкоотпущенные стали

Высочайшие значения прочности в среднеуглеродистых легированных сталях достигаются методом внедрения закалки при 880-900°С и следующего низкого отпуска при 220-300°С. Данный вид сталей содержит 0,25-0,4% углерода. С увеличением содержания углерода, возрастает наибольший предел прочности, но при достижении концентрации 0,45%, вязкий нрав разрушения сменяется хрупким.

Легирование стали в маленьких границах фактически не оказывает влияние на предел прочности, но, влияет на переход вязкого нрава разрушения в хрупкий, сдвигая этот переход в сторону более высочайшего содержания углерода. Легированием малоуглеродистой и среднеуглеродистой стали можно достигнуть более высочайшей пластичности и вязкости, уменьшения чувствительности к надрезу, а легированием высокоуглеродистых сталей — достигнуть роста прочности при хрупком изломе, а время от времени и перехода хрупкого излома в пластичный.

Введение в состав стали никеля, хрома и молибдена наращивает сопротивление хрупкому разрушению, позволяет использовать сталь с более высочайшим содержанием углерода. Добавление кремния позволяет уменьшить содержание углерода при сохранении прочности. В свою очередь, уменьшение концентрации углерода положительно сказывается на свариваемости.

Содержание серы и фосфора в прочных сталях не должно превосходить 0,03-0,035%. Фосфор даже в малых количествах значительно наращивает чувствительность прочных сталей к надрезу. Сера очень вредоносно оказывает влияние на свариваемость и крепкость сварных соединений.

Более обширно используемые стали этого класса: 30ХГСА, 35ХГСА, 30ХГСНА, 30ХГСНМА, 40ХН2СВА (ЭИ643), ВЛ-1.

Сталь 30ХГСА применяется для производства валов, осей, зубчатых колес, фланцев и других улучшаемых деталей, работающих при температуре до 200°С, ответственных сварных конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках, крепежных деталей, работающих при низких температурах. Предел прочности после закалки и низкого отпуска составляет 1500 МПа. Сталь ограниченно свариваемая, после сварки нужна термическая обработка.

Сталь 35ХГСА имеет более высшую крепкость (1900 МПа после отпуска при 200°С) за счет завышенного содержания углерода. Применяется в изготовлении фланцев, кулачков, пальцев, валиков, рычагов, осей, деталей сварных конструкций сложной конфигурации, работающих в критериях знакопеременных нагрузок.

Из стали ЭИ643 изготавливают большие изделия: валы, диски, редукторные шестерни, также крепежные детали. Стали 30ХГСА, ЭИ643, ВЛ-1 используются при изготовлении сварных конструкций в самолетостроении.

Дополнительное увеличение прочности может быть достигнуто за счет термомеханической обработки. Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость растут вдвое по сопоставлению с обыкновенной термообработкой. Это связано с частичным выделением углерода из мартенсита при деформации.

Мартенситно-стареющие стали

Высочайший уровень прочности, достигаемый в этих сталях, обоснован процессами старения в безуглеродистом (содержание углерода не превосходит 0,03%) мартенсите, который в начальном, несостаренном состоянии обладает высочайшей пластичностью и относительно малой прочностью. Упрочнение обеспечивается старением мартенсита при температуре 450-550°С и обосновано процессами образования высокодисперсных интерметаллидных фаз типа NiTi, Ni3Ti, Fe2Mo и др.

Мартенситно-стареющие стали владеют неплохими технологическими качествами. В закаленном состоянии мартенсит этих сталей пластичен и может подвергаться деформации, обработке режущим инвентарем и т.д. После отпуска они владеют высочайшей конструкционной прочностью в широком интервале температур (от криогенных до 400°С), по этому употребляются в авиационной индустрии, ракетной технике, кораблестроении, в приборостроении для упругих частей, в криогенной технике и т.д.

Обширное применение в технике получила прочная мартенситно-стареющая сталь Н18К9М5Т. Закалка и старение при 480-520°С позволяет достигать значений предела прочности 1900-2100 МПа. Не считая стали Н18К9М5Т, употребляются наименее легированные стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ.

Наилучшее сочетание прочности, пластичности и вязкости имеют сложнолегированные стали, содержащие 9-18% Ni, 7-9% Co, 4-6% Mo, 0,5-1% Ti. Для их получения употребляют индукционные печи, вакуумно-дуговую и электрошлаковую плавку.

Предел прочности таких сталей после закалки составляет 1100-1200 МПа. Старение при 480-500°С приводит к увеличению прочности до 1900-2100 МПа при сохранении пластичности на уровне 8-12%.

Мартенситно-стареющие стали могут также владеть коррозионной устойчивостью. Примерами являются стали 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921) и 03Х13Н8Д2ТМ (ЭП699). Они свариваются ручной и автоматической аргоннодуговой сваркой. Сварные соединения не склонны к образованию жарких и прохладных трещинок. Такие стали владеют также высочайшей эрозионной стойкостью.

Они применяются при изготовлении сварных тяжелонагруженных деталей и конструкций для работы в интервале температур от -196 до 400°С при воздействии слабоагрессивных сред, владеют высочайшей эрозионной стойкостью. К конструкционным мартенситно-стареющим сложнолегированным относятся стали 03Н18К8М5Т-ВД (ЭК21-ВД), 03Н18М2Т2-ВИ, 03Н18К9М5Т-ВД (ЭП637-ВД) и др. Они используются для производства ответственных тяжелонагруженных деталей: крепежных болтов, осей и емкостей высочайшего давления, сварных корпусов и зубчатых передач движков, валов вертолетов.

ПНП-стали (TRIP steel, TRIPassisted steel)

В ПНП-сталях высочайшие механические характеристики достигаются перевоплощением аустенита в мартенсит в процессе деформации (отсюда заглавие ПНП — пластичность, наведенная перевоплощением). Существует две разновидности таких сталей. 1-ая разновидность — стали с стопроцентно аустенитной начальной структурой (TRIP steel). Для их типично высочайшее содержание никеля и других аустенито-стабилизирующих добавок, что делает их достаточно дорогими. Примерами таких сталей являются стали 30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1. Соответствующим для этой группы является высочайшее значение вязкости разрушения и предела выносливости. Обильному применению таких ПНП-сталей препятствует их высочайшая легированность, необходимость использования массивного оборудования для деформации при сравнимо низких температурах, трудность сварки. Эти стали употребляют для производства высоконагруженных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей.

2-ая разновидность — многофазные стали. В их состав заходит обогащенный углеродом аустенит, который при деформации либо приложении механического напряжения трансформируется в мартенсит. Такие стали именуют TRIPassisted steel. Они содержат существенно наименьшее количество легирующих добавок: 0,2% углерода, 1,5% марганца и 1-2 % кремния, что делает их существенно более дешевенькими. Невзирая на присутствие высокоуглеродистого мартенсита (который в обычном состоянии очень хрупок), стали типа TRIP-assisted имеют не только лишь высшую крепкость, да и могут подвергаться деформации при получении изделий сложной формы. Данное свойство открывает широкие перспективы внедрения, к примеру, в авто индустрии, потому стали данного типа активно исследуются в мире.

Перспективы получения прочных сталей

Спецы связывают способности предстоящего увеличения прочности сталей сначала с внедрением нанокристаллических материалов (материалов с соответствующим размером кристаллита наименьшим 100 нм) и материалов с высокодисперсными наноразмерными выделениями. Издавна понятно, что уменьшение размера зерна приводит к повышению прочности металлов, но при всем этом происходит и уменьшение пластичности. Но недавнешние исследования проявили, что формирование в неких металлах нанокристаллической структуры может приводить к значительному повышению прочности при сохранении высочайшей пластичности.

К многообещающим способам формирования нанокристаллических и высокодисперсных структур в сталях относятся: способы насыщенной пластической деформации (равноканальная угловая экструзия, винтообразная экструзия, всесторонняя ковка и пр.), квазигидроэкструзия при криогенных температурах, скоростное остывание.

Достойные внимания результаты были получены при исследовании низкотемпературного бейнитного перевоплощения в стали, содержащей 2% кремния. Благодаря уменьшению температуры, в процессе перевоплощения значительно замедляется диффузия железа, что позволило получить выделения бейнита размером 20-40 нм. Предел прочности таковой стали составил 2400 МПа.

Наука повсевременно развивается, и на данный момент навряд ли кто-нибудь может предсказать как близко к теоретическому лимиту может приблизиться крепкость реальных сталей.

Игорь Толмачев

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

plazmorez.com