Термомеханической обработкой

Среднеуглеродистые стали, упрочненные

Комплексно-легированные низкоотпущенные

Высокопрочные легированные стали

Высокопрочными в настоящее время считают материа­лы, временное сопротивление которых близко к 2000 МПа, в сочетании с ударной вязкостью не ниже 0,2 МДж/м². Учитываются и другие характеристики пла­стичности.

Выполнение указанных требований достигается в ос­новном за счет комплексного легирования, применения методов деформационно-термического упрочнения в соче­тании с фазовыми превращениями.

высокопрочные стали

При рассмотрении механических свойств углеродистых (нелегиро­ванных) сталей мы видели, что повышение концентрации углерода свыше 0,4 % С мало изменяет твердость HRC, но резко снижает ударную вязкость. Поэтому для полу­чения требуемого сочетания свойств стали с содержани­ем 0,4 % С комплексно легируют (Cr, Ni, Mn, Мо, W, Si и другими элементами). Содержание элементов в таких сталях обычно не превышает 5 % Cr, 2…4 % Mn и Ni, 1 % Мо, W и Si.

Высокую прочность (s_В = 1800…2000 МПа, при KCU =0,2…0,4 МДж/м²) эти стали приобретают после закал­ки и низкого (при 250…300 °С) отпуска. К числу распро­страненных марок комплексно легированных высокопрочных сталей относятся 30ХГСНА, 30Х5МСФА, 40ХГСН3ВА, 40ХН2СМА и др. Используются комплекс­но легированные стали с повышенным содержанием карбидообразующих элементов (Cr £ 5 %, Мо, W, V) и после упрочнения при высоком отпуске (500…600 °С). При та­ком отпуске полностью снимаются закалочные напряже­ния и выделяются мелкодисперсные карбиды, происхо­дит дисперсионное упрочнение - твердение (в результате чего стали и получили название вторично твердею­щих). После высокого отпуска s_В этих сталей достигает 2000… 2250 МПа.

К числу таких сталей относятся 30Х5М2ФСА, 30Х4М2ФА, 45ХНЗМФА и др.

В последнее время интенсивно разрабатываются режимы деформационно-термической (термомеханической) обра­ботки, при которой деформационное упрочнение сумми­руется с упрочнением, обусловленным фазовыми превра­щениями.

Рис. 3. Схемы режимов термомеханической обработки

Различают высокотемпературную термомеханичес­кую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термо­механическую обработку (НТМО) (рис. 3). При ВТМО сталь деформируют на 25…30 % в аустенитном состоянии (при температуре выше А_С3) и наклепанный аустенит немедленно закаливают. В результате закалки фиксируется большое число дефектов, образуется мелкодисперсная структура и повышается вязкость при одно­временном повышении прочности. В результате сущест­венного измельчения зерна при ВТМО устраняется от­пускная хрупкость первого и второго рода.

При НТМО сталь также сначала переводят в аустенитное состояние, но затем охлаждают до температуры вы­ше начала мартенситного превращения (М_н), но ниже температуры рекристаллиза­ции, и производят деформа­цию на 75…95 %. При по­следующем мартенситном превращении мартенсит на­следует дефектную структу­ру аустенита, получается дисперсная структура, ха­рактеризующаяся большим количеством дефектов и вы­сокой прочностью. При ВТМО и НТМО прочность сталей соответственно дости­гает 2200…3000 МПа.

Рис. 4. Влияние ВТМО на циклическую прочность стали 55ХГР:

1 - деформация 25 % + закалка + отпуск 250 ⁰С; 2 - деформация 50 % + закалка + отпуск 400 ⁰С; 3 - без ВТМО (закалка + отпуск 520 ⁰С); без ВТМО (закалка + отпуск 250 ⁰С)

При обоих способах получается повышение прочности с од­новременным небольшим увеличением пластичности. После ВТМО пластические свойства лучше: выше удар­ная вязкость, ниже порог хладноломкости и чувствитель­ность к отпускной хрупкости. Преимущества ВТМО за­ключаются и в том, что деформация при высоких темпе­ратурах требует затраты меньших усилий, следовательно, осуществляется технологически легче.

Термомеханическую обработку в настоящее время проводят на многих группах сталей. Для получения высокопрочных сталей (с s_В > 2000…2200 МПа) чаще ис­пользуют среднеуглеродистые легированные стали (55ХГР, 30ХГСА, 30Х5М2СФА, 38ХА3МА и др.). При­рост прочности при ТМО, по сравнению с обычной термической обработкой, составляет 10…20 %. После термомеханической обработки повышается также цикли­ческая прочность (рис. 4), снижается чувствительность к распространению трещин, особенно после ВТМО (К_1С увеличивается на 20…50 %).

1.3.3. Мартенситно-стареющие стали

До сих пор были рассмотрены различные классы сталей в которых высокая прочность достигалась формированием углеродистого мартенсита или за счет карбидного упрочнения.

Мартенситно-стареющие стали представляют принци­пиально другой класс высокопрочных, высоколегированных углеродистых сталей (% С < 0,03 %). Их упрочнение происходит при отпуске за счет выделения в мартенсите не карбидных, а интерметаллидных фаз.

Составы некоторых мартенситно-стареющих сталей, а также их механические свойства приведены в табл. 6.

Таблица 6

Составы и механические свойства мартенситно-стареющих сталей

Сталь	Химический состав	Механические свойства
Cr	Ni	Co	Mo	Ti	s0,2, МПа	sВ, МПа	d, %	y, %	KCU, МДж/м2
Х14Н4К14М3Т Х11Н10М2Т Н18К9М5Т Н18К12М4Т2 Н13К15М10	13,5 - - -	4,3	12,5 -		0,3 1,2 0,7 1,5 -					0,8 0,37 0,5 0,3 -

В большинстве мартенситно-стареющих сталей при­сутствуют Fe и Ni или же Fe, Ni и Cr, а также, кроме этих элементов, приведенные в таблице Со, Мо, Тi. Их легируют также Al, Mn, V, W, Nb, Si и другими элемен­тами.

Роль различных легирующих элементов в достижении высокой прочности мартенситно-стареющих сталей не одинакова. Никель и хром, снижая мартенситную точку, обеспечивают более медленное, но более полное протекание мартенситного превращения. Кроме того, никель уменьшает растворимость в a - железе легирующих ком­понентов и тем самым способствует увеличению доли упрочняющей интерметаллидной фазы, выделяющейся при старении мартенсита. Никель образует с легирующи­ми элементами интерметаллидные фазы типа Ni₃Al, Ni₃Ti, NiTi, Ni₃Mo, Ni₃V, Ni₃Nb и др. Молибден и воль­фрам также упрочняют мартенсит за счет образования таких интерметаллидных фаз, как Ni₃W и Ni₃Mo, либо фаз Лавеса - Fe₂Mo и Fe₂W.

Легирование мартенситно-стареющих сталей кобаль­том упрочняет матрицу a - железа за счет эффекта ближ­него упорядочения атомов железа и кобальта и, кроме того, он снижает растворимость в этой матрице других легирующих элементов.

Высокая прочность мартенситно-стареющих сталей достигается после закалки на мартенсит (для большин­ства сталей с температуры 800…860 °С) и последующего старения при 480…520 °С в течение 2…3 ч. Закаленный мартенсит имеет сравнительно невысокую прочность (s_0,2 = 800…1000 МПа), но высокую пластичность и вяз­кость (d = 15…20 %, y = 50 %). При деформации мартен­сит упрочняется слабо (s_B = 900…1100 МПа). Такой ком­плекс свойств позволяет легко проводить холодную де­формацию стали с высокими степенями обжатия. Эту особенность мартенситно-стареющих сталей широко ис­пользуют в практике. Многие детали изготавливают из закаленных сталей, а старение, обеспечивающее основное упрочнение, проводят на готовых изделиях.

Высокие прочностные свойства в мартенситно-стареющих сталях сочетаются с более высокими, по сравне­нию с углеродистыми сталями, параметрами трещиностойкости (К_1С). У мартенситно-стареющих сталей пре­дел упругости более высокий (s_0,002 = 1200…1500 МПа), чем у лучших углеродистых пружинных сталей. Они имеют сравнительно вы­сокие усталостную и удар­но-циклическую прочность (рис. 5). Причем, в по­следнее время для повы­шения этих характеристик используют поверхност­ную лазерную закалку, ионную имплантацию по­верхности. Для повышения усталостной прочно­сти и износостойкости, сопротивления ударно-циклическим нагрузкам изделия из мартенситно-стареющих сталей подвергают также азотированию при 460…500 °С в течение 20…40 ч и совмещают его со ста­рением.

Мартенситно-стареющие стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей свариваемостью. Из-за вы­сокой прочности они при термической обработке не ко­робятся и в процессе старения не меняют своих разме­ров. Высокое содержание хрома и никеля обеспечивает многим маркам мартенситно-стареющих сталей высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах и особен­но высокое сопротивление коррозии под напряжением.

Рис. 5. Влияние нагрузки (s_max) на число циклов N до разрушения сталей

Н18К9М5Т (1); 30ХНМФА (2) и 40ХНМА (3)

Мартенситно-стареющие стали сравнительно «моло­дой» класс конструкционных материалов, поэтому непрерывно ведется поиск, как новых составов сталей, так и способов их обработки. Одним из способов повышения пластичности и вязкости является термоциклирование. Его сущность заключается в одно­кратном или многократном нагреве сталей до темпера­тур завершения a®g -перехода (820…830 °С), охлажде­ния до комнатной температуры и последующем старении. Причиной такого повышения вязкости и пластичности служит повышение в структуре сталей доли остаточного метастабильного аустенита. Так, в стали Н18К9М5Т по­сле одного цикла доля аустенита повысилась до 15… 18%, а после пяти - до 45…50%.

Мартенситно-стареющие стали являются дорогостоя­щими, но, тем не менее, из-за того, что их высокие меха­нические свойства сочетаются с хорошей технологично­стью, их достаточно широко используют как конструк­ционные материалы в наиболее важных отраслях техники для изготовления различных деталей ракет, самоле­тов, космических аппаратов, упругих элементов и пружин в приборостроении и других отраслях. В инструменталь­ной промышленности из них изготавливают матрицы штампов горячего прессования, пресс-формы для литья и другие изделия.