Какой предел текучести у высокопрочной стали

Листовой металл, информация о материале

Высокопрочная сталь (HSS) является принятым определением для стального материала в определенном классе прочности.

Автомобили построены из различного стального материала с целью оптимизации кузова (безопасность при столкновении, жесткость, экономия топлива и пр.), а также, с целью упрощения ремонта. Стальной материал подразделяется на различные группы согласно пределу текучести, т.е. усилия, необходимого для пластичной деформации материала.

Мягкие стали (MS). Сортовые стали с максимальным пределом текучести 180 МПа.
Высокопрочные стали (HS). Стали с пределом текучести 180 — 280 МПа.
Очень высокопрочные стали (VHS). Стали с пределом текучести 280 — 380 МПа.
Особо высокопрочные стали (EHS). Стали с пределом текучести 380 — 800 МПа.
Сверхпрочные стали (UHS). Стали с пределом текучести более 800 МПа.
Внимание! Материал HSS не должен подвергаться нагреванию газовой сваркой или другими приспособлениями.

Мягкие стали. Эта группа сталей используется там, где нет необходимости в более прочной стали.

Высокопрочные стали (HS). Стали с пределом текучести 180 — 280 МПа.

Фосфорный сплав стали получает свою прочность благодаря присутствию фосфорного элемента в сплаве.
HSLA сталь (High Strenght Low Alloy), это сплав стали, где прочность достигается благодаря содержанию Ванадина, Ниоба или Титана.
DP сталь (Dual Phase) получает свою прочность благодаря термической обработке стали при изготовлении. При этом создается двухфазная структура феррита (железа) и мартензита (углерода). Такая сталь теряет свою прочность если температура поднимается выше 300°С.

Особо высокопрочная сталь. В этой группе есть и сталь HSLA, и сталь DP, однако их прочность повышена дополнительно путем увеличения содержания легирующих веществ.

Сверхпрочная сталь. В эту группу входят стали двух основных типов:

Сталь DP. Здесь удалось еще больше увеличить прочность благодаря процессу изготовления и высокому уровню присадок в сплаве.
Сталь BOR получает свою прочность благодаря присадкам основного элемента бора и благодаря тому, что в ней содержится довольно большое количество углерода. Металлическим рейкам придается определенная форма во время чеканки и штамповки когда происходит и закалка материала. Благодаря своей исключительно высокой прочности, эти детали плохо поддаются рихтовке. При замене деталей из стали BOR, рекомендуется шлифовка или лазерная резка. Сталь BOR хорошо сваривается. В процессе изготовления стали BOR, невозможно подвергать её гальванизации. Поэтому, исключительно важно тщательно защитить эти детали от ржавления.
Внимание! Сталь BOR не поддается рихтовке.

Лекция №2 частина 2

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:

1. Среднелегированные низкоотпущенные стали;

2. Мартенситно-стареющие стали;

3. 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%С. С повышением содержания С, 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 C. 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 Ni, Cr и Mo увеличивает сопротивление хрупкому разрушению, позволяет использовать сталь с более высоким содержанием C. Добавление Si позволяет уменьшить содержание C при сохранении прочности. В свою очередь, уменьшение концентрации C положительно сказывается на свариваемости.

Содержание S и P 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 C. 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 НТМО 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 высокопрочные стали

Высокая прочность, достигаемая в этих сталях, обусловлена старением в безуглеродистом (содержание С 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 при деформации (отсюда ПНП – пластичность, наведенная превращением). Существует две разновидности таких сталей: первая – стали с полностью аустенитной первоначальной структурой (TRIP steel). Для них характерно высокое содержание Ni 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% C, 1,5% Mn и 1-2 % Si, что делает их значительно дешевле. 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.

Высокопрочными сталями принято называть такие стали, предел прочности которых больше 1500 МПа, а предел текучести больше 1400 МПа. Эти стали особого назначения, предназначенные для работы в особо тяжелых условиях, где требуется высокая конструкционная прочность при минимальном весе.

Высокопрочные стали — сложнолегированные стали с высокой степенью чистоты. Они выплавляются из чистых шихтовых материалов, в электропечах с защитной атмосферой или вакуумной печи и подвергаются специальным методам очистки после выплавки.

Высокой прочности можно добиться и в простых углеродистых сталях после закалки и низкого отпуска, но после такой термообработки вязкость их равна нулю и они не могут быть использованы для деталей испытывающих ударные нагрузки. Для того чтобы получить необходимые сочетания механических свойств необходимо использовать целый набор легирующих элементов, которые обеспечивают не только высокую прочность, но и необходимую вязкость, хладностойкость, коррозионную стойкость, сопротивление усталостному разрушению и т.д.

Основным легирующим элементом простых сталей является углерод. Он эффективно увеличивает прочность и твердость, но снижает вязкость. Поэтому содержание углерода в высокопрочных сталях ограничено, и обычно не превышает 0,3-0,4%.

Основным легирующим элементом высокопрочных сталей является Ni. Его содержится в разных сталях от 2 до 25%. Никель хорошо растворяется в железе, увеличивает и прочность и вязкость, повышает коррозионную стойкость. Он взаимодействует в стали с другими легирующими элементами, образует интерметаллидные фазы Ni3Al, Ni3Ti,Mo которые располагаются вокруг дислокаций на плоскостях скольжения, затрудняют их перемещение и повышают за счет этого прочность и вязкость. Кроме Ni, высокопрочные стали содержат Cr, Mn, Si, Mo, W и микродобавки Al, Ti, Cu, Co.

Условно высокопрочные стали можно разделить на несколько групп (рис. 12).

Рис.12. Обобщенная диаграмма конструкционной

прочности высокопрочных сталей

НУС — низкоуглеродистые стали

СУС — среднеуглеродистые стали

ВУС — высокоуглеродистые стали

МСС — мартенситностареющие стали

МАС — метастабильное аустенитное состояние.

ТМО – термомеханическая обработка.

Низкоуглеродистые стали являются самыми мало прочными из высокопрочных сталей. Содержание углерода в них не превышает 0,1 — 0,2%. Кроме углерода они содержат до 2% Ni, Mn до 1,5% и легированы небольшими добавками Al, Cu,V. Кроме таких легирующих элементов в эти виды стали вводят азот, в количестве 0,015-0,025%.

Термообработка этих сталей включает в себя закалку температурой 800-900ºС и

высокий отпуск. После закалки в сталях образуется пересыщенный раствор легирующих элементов, а в процессе отпуска из металла выделяются интерметаллидные фазы и карбонитриды. Поэтому они называются сталями с карбонитридным упрочнением. Основным назначением этих сталей являются высокопрочные строительные конструкции, трубо- и газопроводы, нефтепроводы. Используют их и в судостроении.

Основные марки 14Г2АФ, 14ГН2АФ, 14ХГН2МДАФ.

Термообработка — закалка 800-900ºС и отпуск низкий 200-2200С или высокий 500-600ºС.

Для этих конструкционных сталей содержание углерода максимально 0,25-0,4%. Кроме этого они содержат Cr и Ni для повышения прокаливаемости, и увеличения вязкости. Из этих сталей изготавливают валы, шестерни, высокопрочный крепеж, роторы турбин. Термообработка — полная закалка и низкий отпуск.

25ХГНТА σВ-1500 МПа

30ХГСН2А σВ — 1750 МПа

40ХСНМА σВ-2000 Мпа

Сталь 25ХГНТА может применяться для высокопрочных сварных конструкций, например, для сосудов высокого давления

Эти стали содержат углерод в количестве 0,7-1,0% и после закалки и низкого отпуска могут иметь предел прочности до 2000-3000 МПа, но при этом очень малый запас ударной вязкости, поэтому такие стали применяются ограниченно в условиях отсутствия ударных нагрузок. Их рассчитывают на применение в области упругих напряжений. В основном из них изготавливают высокопрочную канатную проволоку.

Самая распространенная из высокопрочных сталей. Она обладает одновременно и высокой прочностью и вязкостью, хорошей коррозионной стойкостью, прокаливается насквозь при любом сечении. После закалки эти стали обладают достаточной пластичностью и их можно деформировать, они легко свариваются. Они не изменяют размер и форму после закалки. Поэтому из них можно изготавливать измерительные приборы. Максимальную прочность они набирают после окончательной обработки, закалки и старения. Эти стали практически без углеродистые. Количество углерода в них ограниченно содержанием 0,03%. Основным легирующим элементом в этой стали является никель. Его вводят от 10 до 20%. Кроме никеля эти стали содержат Мо до 5%, Ti до 0,5%, W до 10%. Они снижают точку мартенситного превращения до отрицательных температур. Для компенсации этого явления в сталь вводят Со до 10%

Основная схема термообработки для этих сталей включает в себя закалку с 900-1000ºС и последующее старение. После закалки в этих сталях образуется без углеродистый мартенсит с высокой плотностью дефектов кристаллического строения. Но т.к. в твердом растворе нет углерода, сталь сохраняет пластичность и вязкость. После окончательной обработки деталей проводят старение. 500-600ºС — 3 часа. При этом из твердого раствора выделяются интерметаллидные фазы типа Ni3(Ti,Mo), которые упрочняют сталь.

Н18К19М5Т — обладает прочностью 2000 МПа, предел текучести 1900 МПа

Н17К8М2В10 — предел прочности 2350 МПа

Н12К12М10В10 — предел прочности 3000 МПа, предел текучести 2900 МПа (самая высокопрочная сталь).

Стали на основе системы Ni-Cr-Co – имеют повышенную коррозионную стойкость. Чем выше содержание хрома, тем выше коррозионная стойкость стали.

Так, например, сталь 08Х15Н5Д2Т имеет предел прочности 1500 МПа, может работать с высокими нагрузками в щелочах, кислотах.

Стали этого класса обладают наивысшими запасами прочности и вязкости. Это обеспечивает им наивысшую надежность. Они содержат:

Ni до 25%

Mo до 5%

Mn до 10%

Cr до 10%

Si, Ti до 2%

Термообработка этой стали включает в себя закалку 800-1100ºС, после чего в стали сохраняется чисто аустенитное состояние. После закалки сталь подвергают теплой деформации при -200-250ºС. Наклеп стали повышает точку начала мартенситного превращения Мн от 0 до 20ºС, но мартенситного превращения не происходит. Деформация заканчивается в тот момент, когда состояние аустенита станет неустойчивым и дополнительная деформация может вызвать мартенситное превращение. Если из стали в таком состоянии изготавливать детали, то любая дополнительная пластическая деформация может вызвать превращение неустойчивого аустенита в мартенсит. При появлении трещины в её вершине концентрируется пластическая деформация, это вызывает образование мартенсита, сталь упрочняется и разрушение прекращается.

Недостатком данной технологии является сложность контролирования структурного состояния и необходимость мощного деформирующего оборудования.

Оцените статью
Добавить комментарий