Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 [ 50 ] 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

еле закалки и низкого отпуска уровень прочности стали определяется содержанием углерода и практически не зависит от присутствия легирующих элементов. Увеличение содержания углерода до 0,4% повыщает временное сопротивление до 2400 МПа (см. рис. 8.5), но углеродистая сталь имеет полностью хрупкое разрушение. Необходимый запас вязкости при такой рши 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 (1,5-3%). 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 ЗОХГСНА, 40ХГСНЗВА,40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА. Характерные механические свойства двух сталей, определенные на образцах с трещиной н без нее, приведены в табл. 8.7. В самолетостроении широко применяют сталь ЗОХГСНА, которая представляет собой хромансиль, улучшенную введением 1,6% Ni. Ее используют для силовых сварных конструкций, деталей фюзеляжа, шасси и т. п. При временном сопротивлении до 1650 МПа сталь подвергают изотермической закалке, поскольку по сравнению с низкоотпущенным состоянием она обеспечивает меньшую чувств итель-

ТАБЛИЦА 8.7. Механические свойства высокопрочных сталей

Сталь

ЗОХГСНА 40ХГСНЗВА

1850

1650

1670

1570

2000 1200

1850

1560

8 v;

МДж/

0,55

0,62 0,45

Па Х м12

65 45

Примечания: 1. aj~ временное сопротивление, определенное на образцах с трещиной.

2. В числителе ~ свойства после закалки от 900 °С и низкого отпуска при 250 °С, в знаменателе - после изотермической закалки.

ность 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 среднеуглеродис-тым легированным сталям - ЗОХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА и другим -обеспечивает высокую прочность (на образцах небольшого размера а„ = = 2000--2800 МПа) 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 Лз и немедленно закаливают с тем, чтобы не допустить развития рекристаллизации аустенита. При НТМО (рис. 8.10,6) деформация проводится в области повышенной устойчивости аустенита (400 - 600 °С). Рекристаллизация при этих температурах не происходит, однако необходимо избегать образования бейнитных структур.



А ус/лет тизация и дефор-/нация

К А.

шстени-шзация

Та

Рис. 8.10. Схема термомеханической обработки стали:

о-ВТМО; б-НТМО (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 повьш1аются в 1,5-2 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 (а 2800 МПа) 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 400-600 °С 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 * (Ств < 2400 МПа), но более высокие пластичность и вязкость. Она уменьшает также чувствительность к трещине {Ку возрастает на 20-50%), 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 среднеуглфо-дистых легированных сталей можно хо-

Это обусловлено тем, что при высокой температуре трудно избежать частичной рекристаллизации аустенита.



лодной пластической деформацией низ-коотпущенного мартенсита. Небольшая деформация (5-20%) увеличивает временное сопротивление и особенно предел текучести (до 25%) сталей.

Наиболее высокая прочность (Ов л 3000 МПа) получена сочетанием ВТМО и последующей холодной пластической деформации образцов из низ-коотпущенных среднеуглеродистых сталей.

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

Их основа-безуглеродистые (< 0,03 % С) сплавы железа с содержанием 8-25 % Ni, легированные Со, Мо, Ti, Al, Сг и другими элементами (табл. 8.8).

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

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

Мартенситно-стареющие стали закаливают от 800-860 °С на воздухе. При нагреве легирующие элементы Ti, Be, Al, Си, Мо, обладающие ограниченной

и переменной растворимостью в Fe„, 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 = 900-е-1100 МПа имеет высокую пластичность (6 = 18 20%, \1/ = 75--85%), вязкость {KCU = 23 МДж/м) 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 (К1зТ1, NiAl, РсгМо, NijMo и др.), когерентно связанные с матрицей. Наибольшее упрочнение при старении вызывают Ti и А1, меньшее-Си и Мо. Для мартенситно-стареющих сталей характерен высокий предел текучести (см. табл. 8.8) и более высокий, чем у лучших пружинных сплавов, предел упругости (ао,оо2 = 1500 МПа), низкий порог хладноломкости.

При прочности 0 = 2000 МПа и более стали разрушаются вязко, хотя сопротивление распространению трещины у них невелико (КСТ х 0,2 МДж/м). Малая чувствительность к надрезам, высокое сопротивление хрупкому разрушению обеспечивают высокую конструкционную прочность изделий в ши-

ТАБЛИЦА 8.8. Свойства мартенситно-стареющих сталей

Сталь

Массовая доля легирующих элементов, %

Механические свойства

f0,2

МПа x

x м>2

МДК/м2

03Н18К9М5Т

18Ni;9Co;5Mo;

2100

1900

75-85

0,20

0,9 Ti

03Н12К15М1О

12Ni; l5Co;

2500

2400

lOMo

03Х11Н1ОМ2Т

lOCr; 11 Ni;

1600

1550

90-105

0,21

2Mo; 0,9Ti;

0,2 Al



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 [ 50 ] 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65