Высокопрочные стали. 
Материаловедение и технология материалов

К высокопрочным сталям относятся стали, имеющие предел прочности более 1500—2000 МПа. Наряду с высокой прочностью эти стали должны обладать достаточной пластичностью и вязкостью. К высокопрочным сталям относятся:

• • среднеуглеродистые комплексно-легированные (30ХГСН2А, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСН2ВМ и др.);
• • мартенситио-стареющие (03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10, 03Х11Н10М2Т идр.);
• • мстастабильные аустенитные (25Н25М4Г1, 30Х9Н8М4Г2С2 и др.).

Высокопрочное состояние среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей достигается после закалки и низкого отпуска.

Углерод — элемент, наиболее сильно упрочняющий мартенсит, но одновременно он повышает хрупкость, снижает вязкость. Поэтому содержание углерода в высокопрочных комплексно-легированных сталях находится в пределах 0,3—0,4%. Стали содержат элементы, карбиды которых растворяются при нагреве под закалку, поскольку остаточные нерастворившиеся карбиды повышают хрупкость низкоотпущснной стали. Легирование никелем существенно повышает вязкость высокопрочных сталей. В табл. 8.4 приведены составы и свойства отдельных высокопрочных комплексно-легированных сталей в состоянии после закалки и низкого отпуска. Стали могут применяться и в состоянии после изотермической закалки со структурой на нижний бейнит с последующим низким отпуском. В этом состоянии стали менее чувствительные к надрезу и обнаруживают более высокое сопротивление разрушению.

Термомеханическая обработка среднеуглеродистых легированных сталей совмещает процесс пластического деформирования аустенита и закалку и позволяет получить, например, на сталях 30ХГСН2А и 40ХН2МА высокую прочность (ав до 2000—2600 МПа на небольших опытных образцах) при пластичности 8 = 6-^8% и вязкости (KCU = 0,3⁰, 15 МДж/м2).

Высокопрочные комплексно-легированные стали в состоянии после закалки и низкого отпуска применяют для высокопрочных болтов, тяжелонагруженных деталей фюзеляжа, шасси самолетов, силовых сварных конструкций, баллонов высокого давления.

Мартенситно-стареющие стали — это безуглеродистые сплавы железа с никелем (8—25%) и дополнительно легированные Сг, Ti, Al, Мо, Со и другими элементами. Мартенситно-стареющие стали закаливают при температуре 820— 1220 °C в воде и на воздухе, что обеспечивает получение безуглеродистого железоникелевого мартенсита, пересыщенного легирующими элементами.

Железоникелевый мартенсит при прочности а"= 900-И000 МПа отличается высокой пластичностью (8 = 18-^20%, у = 75-^85%, KCU = = 2-^2,5 МДж/м²) и при холодной пластической деформации практически не упрочняется. В результате закаленные мартенситностареющие стали способные деформироваться с большими степенями обжатия.

Упрочнение статей наступает в процессе старения при температурах 450—500°С деформированного мартенсита, когда за счет выделения из мартенситной матрицы образуются когерентно с ней связанные мелкодисперсные частицы фаз (NiTi, Ni₃Ti, NiAl, Ni₃Mo и др.).

Детали из стали 03Н18К9М5Т большой толщины подвергают первой закатке от 1200 °C, а затем осуществляют трехкратную закалку от 940 °C и последующее старение при 520—540°С.

Таблица 8.4

Химический состав и механические свойства некоторых высокопрочных сталей.

Закалку осуществляют в двух средах. Сначала в воде (до потемнения поверхности), а затем на воздухе. Детали из листов и прутков малого сечения закаливают с температуры 820 °C, потом подвергают старению при температуре 500 °C.

Мартенситно-стареющие стали в состоянии после закалки и последующего старения имеют высокий комплекс механических свойств (см. табл. 8.4).

Стали при прочности более 2000 МПа разрушаются вязко, имеют низкую чувствительность к надрезам, высокое сопротивление хрупкому разрушению и обеспечивают работоспособность деталей и изделий в широком диапазоне температур — от криогенной до 450—500°С.

Мартенситно-стареющие стали — технологичные: до старения легко деформируются и обрабатываются резанием, хорошо свариваются, имеют высокую прокаливаемость.

Дорогостоящие стали применяют для ответственных деталей авиационной, ракетной техники, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов подводных лодок, высоконагружснных дисков турбин, зубчатых колес, шпинделей, червяков и др.

Мстастабильныс аустенитные высокопрочные стали отличаются повышенной пластичностью и получили название ПНП-сталей (пластичность, наведенная превращением) и трип-сталей (TRIP — Transformation Induced Plasticity).

Стали эти высоколегированные и содержат ориентировочно 8−14% Сг, 8−32% Ni, 0,5−2,5% Мп, 2−6% Мо, до 2% Si. Стали 30Х9Н8М4Г2С2,25Н25М4Г1 в результате нагрева до 1000−110(ГС и последующего охлаждения имеют стабильную аустенитную структуру.

Точка начала мартенситного превращения (М_н) лежит в области отрицательных температур. Ниже 0 °C находится и точка М_л — начало превращения аустенита в мартенсит, вызванное деформацией, которое происходит при температуре ниже М_л.

После закалки стали подвергают пластической деформации (прокатке, волочению, гидроэкструзии и т. д.) со степенью обжатия 50—80% при температурах 400—600°С (ниже температуры рекристаллизации).

В результате паклена аустенит упрочняется, а также обедняется легирующими элементами и углеродом вследствие выделения карбидов. Уменьшение лсгированности аустенита приводит к повышению температур М_н и М_л. Температура начала образования мартенсита деформации М_д превышает 20 °C, а точка М_н остается ниже комнатной. В процессе охлаждения аустенит становится неустойчивым, метастабильным, и при повторной его пластической деформации (при комнатной температуре) имеет место мартенситное превращение, образование мартенсита деформации. Мартенсит деформации отличается более высокой дисперсностью и большей прочностью кристаллов в сравнении с мартенситом охлаждения.

В результате закалки и деформационного старения ППП-стали приобретают высокую прочность (ст_в> 1800 МПа, а₀2> 1400 МПа при пластичности 5 > 20%) (см. табл. 8.4).

Высокая пластичность ПНП-сталей связана с различием положения температур начала мартенситного превращения М_и и начала образования мартенсита деформации М_д. Повторная пластическая деформация при комнатной температуре (в период испытания на растяжение или эксплуатации) вызывает местное упрочнение аустенита в микрообъемах пластического течения. Образование в этих микрообъемах мартенсита увеличивает их прочность и способствует распространению деформации на соседние микрообъемы. Таким образом, мартенситное превращение исключает возможность образования утонения («шейки»), что придает высокую пластичность ППП-сталям. Эти стали используются для производства ответственных деталей, высокопрочных крепежных болтов и проволоки.

Широкое применение ПНП-сталей сдерживают необходимость использования мощного прокатного и другого оборудования для осуществления пластической деформации при 400—600°С, анизотропия свойств деформированных сталей, высокая легированность и сложность сварки.