Высокопрочные стали: ликбез для потребителя
Всем известно, что атомы в металлах расположены не в произвольном порядке, а образуют некую упорядоченную структуру – кристаллическую решетку. Однако попытка теоретически оценить прочность такой решетки приводит к парадоксальному результату: рассчитанное значение в тысячи раз превосходит реальную прочность металлов. Разгадка проста: в мире не существует ничего идеального, в том числе и идеальных кристаллических решеток. Именно присутствие дефектов в структуре металлов ограничивает и определяет их прочность.
Дефекты в металлах образуются в ходе затвердевания и механической обработки, в процессе термической обработки. Более того, учеными установлено, что полностью избавиться от присутствия дефектов в кристаллических решетках твердых тел в принципе невозможно: это противоречило бы принципам термодинамики.
Однако всесторонние научные исследования свойств металлов позволяют установить закономерности развития дефектной структуры, их связи со свойствами материалов, что в конечном итоге приводит к созданию новых сплавов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Также этому процессу способствует постоянное повышение требований к конструкционным материалам. В частности, ужесточение условий работы машин и механизмов, стремление повысить их производительность и продлить срок службы, привело к появлению и развитию нового класса материалов – высокопрочных сталей. Немало этому способствовало развитие авиации, космонавтики и ракетостроения – областей, где соотношение массы конструкции и полезной грузоподъемности играет решающую роль.
В западной и отечественной литературе приняты различные подходы к определению понятия «высокопрочные стали». В американской литературе высокопрочными (high-strength steel) называют стали, имеющие предел текучести от 260 до 560 МПа. При таком разделении, в группу high-strength попадают все стали кроме мягких малоуглеродистых. Стали, имеющие предел текучести 560 МПа и выше относят к сверхвысокопрочным (ultra high-strength steel). Встречаются и более детализированные классификации, включающие три или четыре группы сталей. В отечественной литературе высокопрочными принято называть стали, имеющие предел прочности выше 1300-1500 МПа.
Важными характеристиками высокопрочных сталей помимо высоких значений предела прочности и предела текучести, являются трещиностойкость и сохранение на приемлемом уровне пластичности. Большое внимание уделяется также такой их характеристике как свариваемость.
К высокопрочным сталям следует отнести следующие виды:
- Среднелегированные низкоотпущенные стали;
- Мартенситно-стареющие стали;
- ПНП-стали (TRIP steel, TRIPassisted steel).
Среднелегированные низкоотпущенные стали
Высокие значения прочности в среднеуглеродистых легированных сталях достигаются путем применения закалки при 880-900°С и последующего низкого отпуска при 220-300°С. Данный вид сталей содержит 0,25-0,4% углерода. С повышением содержания углерода, увеличивается максимальный предел прочности, однако при достижении концентрации 0,45%, вязкий характер разрушения сменяется хрупким.
Легирование стали в небольших пределах практически не влияет на предел прочности, однако, оказывает влияние на переход вязкого характера разрушения в хрупкий, сдвигая этот переход в сторону более высокого содержания углерода. Легированием малоуглеродистой и среднеуглеродистой стали можно добиться более высокой пластичности и вязкости, уменьшения чувствительности к надрезу, а легированием высокоуглеродистых сталей – достичь увеличения прочности при хрупком изломе, а иногда и перехода хрупкого излома в пластичный.
Введение в состав стали никеля, хрома и молибдена увеличивает сопротивление хрупкому разрушению, позволяет использовать сталь с более высоким 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 высокопрочных сталях не должно превышать 0,03-0,035%. Фосфор даже в малых количествах существенно увеличивает чувствительность высокопрочных сталей к надрезу. Сера очень вредно влияет на свариваемость и прочность сварных соединений.
Наиболее широко применяемые стали этого класса: 30ХГСА, 35ХГСА, 30ХГСНА, 30ХГСНМА, 40ХН2СВА (ЭИ643), ВЛ-1.
Сталь 30ХГСА применяется для изготовления 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 необходима термообработка.
Сталь 35ХГСА имеет более высокую прочность (1900 МПа после отпуска при 200°С) за счет повышенного содержания углерода. Применяется в изготовлении фланцев, кулачков, пальцев, валиков, рычагов, осей, деталей сварных конструкций сложной конфигурации, работающих в условиях знакопеременных нагрузок.
Из стали ЭИ643 изготавливают крупные изделия: валы, диски, редукторные шестерни, а также крепежные детали. Стали 30ХГСА, ЭИ643, ВЛ-1 применяются при изготовлении сварных конструкций в самолетостроении.
Дополнительное повышение 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 увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с частичным выделением углерода из мартенсита при деформации.
Мартенситно-стареющие стали
Высокий уровень прочности, достигаемый в этих сталях, обусловлен процессами старения в безуглеродистом (содержание углерода не превышает 0,03%) мартенсите, который в исходном, несостаренном состоянии обладает высокой пластичностью и относительно малой прочностью. Упрочнение обеспечивается старением мартенсита при температуре 450-550°С и обусловлено процессами образования высокодисперсных интерметаллидных фаз типа NiTi, Ni3Ti, Fe2Mo и др.
Мартенситно-стареющие стали обладают хорошими технологическими свойствами. В закаленном состоянии мартенсит этих сталей пластичен и может подвергаться деформации, обработке режущим инструментом и т.д. После отпуска они обладают высокой конструкционной прочностью в широком интервале температур (от криогенных до 400°С), благодаря чему используются в авиационной промышленности, ракетной технике, судостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д.
Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенситно-стареющая сталь Н18К9М5Т. Закалка и старение при 480-520°С позволяет достигать значений предела прочности 1900-2100 МПа. Кроме стали Н18К9М5Т, используются менее легированные стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ.
Оптимальное 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 используют индукционные печи, вакуумно-дуговую и электрошлаковую плавку.
Предел прочности таких сталей после закалки составляет 1100-1200 МПа. Старение при 480-500°С приводит к повышению прочности до 1900-2100 МПа при сохранении пластичности на уровне 8-12%.
Мартенситно-стареющие стали могут также обладать коррозионной устойчивостью. Примерами являются стали 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921) и 03Х13Н8Д2ТМ (ЭП699). Они свариваются ручной и автоматической аргоннодуговой сваркой. Сварные соединения не склонны к образованию горячих и холодных трещин. Такие стали обладают также высокой эрозионной стойкостью.
Они используются при изготовлении сварных тяжелонагруженных деталей и конструкций для работы в интервале температур от -196 до 400°С при воздействии слабоагрессивных сред, обладают высокой эрозионной стойкостью. К конструкционным мартенситно-стареющим сложнолегированным относятся стали 03Н18К8М5Т-ВД (ЭК21-ВД), 03Н18М2Т2-ВИ, 03Н18К9М5Т-ВД (ЭП637-ВД) и др. Они применяются для изготовления ответственных тяжелонагруженных деталей: крепежных болтов, осей и емкостей высокого давления, сварных корпусов и зубчатых передач двигателей, валов вертолетов.
ПНП-стали (TRIP steel, TRIPassisted steel)
В ПНП-сталях высокие механические свойства достигаются превращением аустенита в мартенсит в процессе деформации (отсюда название ПНП – пластичность, наведенная превращением). Существует две разновидности таких сталей. Первая разновидность – стали с полностью аустенитной первоначальной структурой (TRIP steel). Для них характерно высокое содержание никеля и других аустенито-стабилизирующих добавок, что делает их довольно дорогими. Примерами таких сталей являются стали 30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1. Характерным для этой группы является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости. Широкому применению таких ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки. Эти стали используют для изготовления высоконагруженных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей.
Вторая разновидность – многофазные стали. В их состав входит обогащенный углеродом аустенит, который при деформации или приложении механического напряжения трансформируется в мартенсит. Такие стали называют TRIPassisted steel. Они содержат значительно меньшее количество легирующих добавок: 0,2% углерода, 1,5% марганца и 1-2 % кремния, что делает их значительно более дешевыми. Несмотря на присутствие высокоуглеродистого мартенсита (который в нормальном состоянии очень хрупок), стали типа TRIP-assisted имеют не только высокую прочность, но и могут подвергаться деформации при получении изделий сложной формы. Данное свойство открывает широкие перспективы применения, например, в автомобильной промышленности, поэтому стали данного типа интенсивно исследуются во всем мире.
Перспективы получения высокопрочных сталей
Специалисты связывают возможности дальнейшего повышения прочности сталей прежде всего с использованием нанокристаллических материалов (материалов с характерным размером кристаллита меньшим 100 нм) и материалов с высокодисперсными наноразмерными выделениями. Давно известно, что уменьшение размера зерна приводит к увеличению прочности металлов, но при этом происходит и уменьшение пластичности. Однако недавние исследования показали, что формирование в некоторых металлах нанокристаллической структуры может приводить к значительному увеличению прочности при сохранении высокой пластичности.
К перспективным методам формирования нанокристаллических и высокодисперсных структур в сталях относятся: методы интенсивной пластической деформации (равноканальная угловая экструзия, винтовая экструзия, всесторонняя ковка и пр.), квазигидроэкструзия при криогенных температурах, высокоскоростное охлаждение.
Интересные результаты были получены при исследовании низкотемпературного бейнитного превращения в стали, содержащей 2% кремния. Благодаря уменьшению температуры, в процессе превращения существенно замедляется диффузия железа, что позволило получить выделения бейнита размером 20-40 нм. Предел прочности такой стали составил 2400 МПа.
Наука постоянно развивается, и сейчас вряд ли кто-либо может предсказать насколько близко к теоретическому пределу может приблизиться прочность реальных сталей.
Игорь Толмачев
