Какой предел текучести у высокопрочной стали?

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:

  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% 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.

Высокопрочная сталь

Высокопрочный стальной прокат – это металлопродукция, которая при поставке имеет предел текучести более 300 МПа, предел прочности – до 2500 МПа. Высокопрочная листовая сталь все шире применяется в различных отраслях промышленности благодаря снижению металлоемкости, увеличению срока службы изделий, уменьшению производственных и эксплуатационных затрат в сравнении с продукцией из традиционных марок стали. Прочностные характеристики металла достигаются путем использования различных систем легирования стали, специальных режимов горячей прокатки (таких, как контролируемая прокатка, или нормализующая, или термомеханический процесс), а также термической обработкой (закалка с отпуском, нормализация). Помимо высокой прочности, материал обладает повышенной ударной вязкостью (в т.ч. при отрицательных температурах), хорошей пластичностью и свариваемостью.

Наиболее востребован в данном сегменте высокопрочный прокат после закалки с отпуском (Q&T – quenched and tempered) и после термомеханической прокатки (ТМСР – Thermomechanical controlled process).

Выбрать и заказать

Сферы применения

Материалы для загрузки

Применение высокопрочной стали

Использование высокопрочной закаленной стали повышенной износостойкости при изготовлении и ремонте металлоконструкций и деталей машин имеет ряд преимуществ:

Читайте также  Как сделать электронапильник из болгарки?

Снижение веса изделий, конструкций при сохранении прочностных характеристик

Увеличение полезной грузоподъемности

Снижение затрат на транспортировку, сборку, установку

Снижение затрат на ремонт, техническое обслуживание

Сочетание износостойкости, трещиностойкости и деформационной стойкости

Благодаря таким особенностям высокопрочная сталь в состоянии поставки после закалки и отпуска имеет обширное применение в тяжелом машиностроении, строительстве и других секторах. Более 70% выпускаемого закаленного толстого листа потребляется при изготовлении тяжелой наземной, подземной и грузоподъемной техники.

Область применения высокопрочной стали после закалки с отпуском

Примеры использования

Производство тяжелой наземной техники

Ковши экскаваторов и другое навесное оборудование

Выглаживающая плита асфальтоукладчика

Изготовление подземной техники

Соединительные детали конвейеров

Усиление несущих частей конструкций горных машин

Навесное оборудование горной техники

Производство грузоподъемной техники

Грейферы портовых кранов

Несущие части мостовых кранов

Крановые стрелы и пр.

Приемные бункеры и грохоты

Буферные емкости и вибрационные питатели

Тяжелое и общее машиностроение

Изнашивающиеся узлы оборудования бетонных заводов

Пластины для бетоносмесителя, емкости для загрузки гравия

Обшивка вагонов ж/д транспорта и ковшей и кузовов колесной техники

Изнашивающиеся детали машин и механизмов

Несущие части оффшорных (морских) платформ

Элементы башен ветрогенераторов

Элементы мостов и эстакад

Восстановительный ремонт отдельных изнашивающихся узлов вышеприведенного оборудования у конечного потребителя либо на специализированных ремонтных предприятиях

За счет использования высокопрочной закаленной стали значительно удлиняется срок эксплуатации оборудования и машин, снижается частота замены и ремонта техники, минимизируются простои.

Преимущества использования термомеханически упрочненного проката базируются на его ключевых особенностях – низком углеродном эквиваленте, высоком уровне прочности и ударной вязкости. Благодаря этому в сравнении с традиционными сталями ТМСР-прокат при переработке показывает более высокую эффективность: сокращаются затраты на сварочные материалы, нет потребности в предварительном нагреве металла и дополнительной термообработке, снижается общая металлоемкость конструкций, сокращаются сроки реализации проектов.

Основными направлениями применения таких высокопрочных сталей являются строительство и различные сектора машиностроения.

Область применения высокопрочной стали после термомеханической прокатки

Примеры использования

Промышленное и гражданское строительство

Строительные металлоконструкции – колонны, фермы, элементы перекрытий и пр. Элементы мостов и эстакад

Несущие части оффшорных платформ

Элементы морских буровых установок

Элементы башен ветрогенераторов

Тяжелое и общее машиностроение

Стрелы автокранов, рамы грузовых автомобилей и сельскохозяйственной техники, силовые детали

Обшивка боковых и торцевых стен вагона, рама полувагона

Элементы турбин, гидро- и турбогенераторы

Восстановительный ремонт отдельных изнашивающихся узлов вышеприведенного оборудования в условиях конечного потребителя либо специализированных ремонтных предприятий

Замена продукции из обычных конструкционных марок стали на высокопрочные термомеханически упрочненные виды проката позволяет значительно снизить металлоемкость строительных конструкций за счет использования колонн с меньшей толщиной стенки и полок при аналогичных показателях прочности на сжатие. Например, применение TMCP-листа при изготовлении сварных колонн современных высотных зданий коммерческого назначения позволяет достичь экономии металлопроката на 20-30%, а его использование в конструкции полувагонов приводит к снижению их веса (и соответствующему увеличению полезной грузоподъемности) на 30-35%.

Классификация и свойства высокопрочных сталей

Высокопрочная сталь с состоянием поставки после закалки и отпуска производится в соответствии со стандартами EN 10025-6, ДСТУ EN 10025-6, ASTM A514/А514М, ASTM A517/А517М, ГОСТ 19281 и др., а также по собственным нормативным документам компаний-производителей.

Марки высокопрочных сталей

Ориентировочный уровень механических свойств в соответствии со стандартом

Предел текучести, МПа

Предел прочности, МПа

S460Q, S460QL, S460QL1

S500Q, S500QL, S500QL1

S550Q, S550QL, S550QL1

S620Q, S620QL, S620QL1

S690Q, S690QL, S690QL1

S890Q, S890QL, S890QL1

A537, категории 2, 3

ТУ У 77-096-173-2001

ТУ У 27.1-26416904-150:2005

Сталь высокой прочности в состоянии поставки после термомеханической прокатки изготавливается по EN 10025-4, ДСТУ EN 10025-4, EN 10149-2, а также по нормативной документации и под собственными брендами компаний-производителей.

Марки высокопрочных сталей

Ориентировочный уровень механических свойств в соответствии со стандартом

Минимальный предел текучести, МПа

Предел прочности, МПа

Производство высокопрочного стального толстого листа

Высокопрочная сталь изготавливается на реверсивных станах путем горячей деформации стальных полуфабрикатов – непрерывнолитых или катаных слябов. Упрочняющая обработка листа выполняется либо на финальных стадиях прокатки и охлаждения на стане, либо путем термического воздействия вне основного потока.

Высокопрочная сталь после закалки с отпуском (Q&T)

Высокопрочная сталь после термомеханической прокатки (ТМСР)

Технология и свойства

Термическая обработка вне потока стана или закалка с прокатного нагрева

Увеличение износостойкости проката

Сочетание износостойкости, трещиностойкости и деформационной стойкости

Специальные режимы прокатки в потоке стана

Низкий углеродный эквивалент

Высокая прочность, высокая ударная вязкость

Преимущества для потребителей

Снижение веса при сохранении прочностных характеристик

Увеличение полезной грузоподъемности

Снижение материальных затрат

Уменьшение времени и затрат на сварку

Отсутствие дополнительной т/о

Снижение веса металлоконструкций в сравнении с традиционными марками

Возможность формовки в холодном состоянии

Закалка – это процесс нагрева стали до температур свыше фазовых превращений с последующей выдержкой и быстрым охлаждением со скоростью, которая больше критической – в воде, масле, полимерных либо эфирных смесях и пр. Температуру нагрева и среду охлаждения выбирают в зависимости от химического состава и требуемого структурного состояния металла. После закалки сталь приобретает неравновесную метастабильную структуру и обладает высокой прочностью (предел прочности до 2500 МПа), твердостью (до 600-650 по шкале Виккерса), износостойкостью и повышенной хрупкостью. Закалочные операции могут выполняться как с отдельного нагрева стали после прокатки, так и с использованием тепла прокатного нагрева (т.н. прямая закалка). Закалка в ряде случаев не является окончательным видом термической обработки — для устранения избыточных напряжений и повышенной хрупкости изделие после закалки подвергают отпуску.

Термомеханический контролируемый процесс (термомеханическая прокатка) – это технологическая операция, предполагающая контроль температуры и процесса деформации листа при прокатке. Свойства, полученные после такой обработки, стали, не могут быть воспроизведены нормализацией или другими видами термообработки. Конечная мелкозернистая микроструктура металла достигается микролегированием, прокаткой в определенном диапазоне температур и контролируемым охлаждением (в т.ч. ускоренным с помощью водо-воздушной смеси).

Благодаря высокой прочности, свариваемости и устойчивости к хрупкому растрескиванию ТМСР-прокат может применяться в конструкциях с температурой эксплуатации до -50°C с гарантированными значениями ударной вязкости.

Купить высокопрочную сталь от производителя

Производственные предприятия МЕТИНВЕСТ выпускают низколегированную и легированную высокопрочную сталь в соответствии с требованиями международных стандартов и индивидуальных спецификаций потребителей. Доступна поставка продукции после применения специальных видов прокатки (контролируемая прокатка, термомеханический процесс, нормализующая прокатка) и после термической обработки вне потока стана (закалка с отпуском, нормализация и др.). Купить высокопрочную сталь можно через глобальную сбытовую сеть, имеющую 38 офисов продаж в Европе, Азии, Африке и Америке и 16 металлобаз в Украине, а также у авторизованных дилеров.

Оставайтесь на связи

Найдите представителя Метинвеста в вашем регионе

Предел текучести стали

Разные материалы по-разному реагируют на приложенную к ним внешнюю силу, вызывающую изменение их формы и линейных размеров. Такое изменение называют пластической деформация. Если тело после прекращения воздействия самостоятельно восстанавливает первоначальную форму и линейные размеры — такая деформация называется упругой. Упругость, вязкость, прочность и твердость являются основными механическими характеристиками твердых и аморфных тел и обуславливают изменения, происходящие с физическим телом при деформации под действием внешнего усилия и ее предельном случае — разрушении. Предел текучести материала — это значение напряжения (или силы на единицу площади сечения), при котором начинается пластическая деформация.

Текучесть металла

Знание механических свойств материала чрезвычайно важно для конструктора, который использует их в своей работе. Он определяет максимальную нагрузку на ту или иную деталь или конструкцию в целом, при превышении которой начнется пластическая деформация, и конструкция потеряет с вою прочность, форму и может быть разрушена. Разрушение или серьезная деформация строительных конструкций или элементов транспортных систем может привести к масштабным разрушениям, материальным потерям и даже к человеческим жертвам.

Предел текучести — это максимальная нагрузка, которую можно приложить к конструкции без ее деформации и последующего разрушения. Чем выше его значения, тем большие нагрузки конструкция сможет выдержать.

На практике предел текучести металла определяет работоспособность самого материала и изделий, изготовленных из него, под предельными нагрузками. Люди всегда прогнозировали предельные нагрузки, которые могут выдержать возводимые ими строения или создаваемые механизмы. На ранних этапах развития индустрии это определялось опытным путем, и лишь в XIX веке было положено начало созданию теории сопротивления материалов. Вопрос надежности решался созданием многократного запаса по прочности, что вело к утяжелению и удорожанию конструкций. Сегодня необязательно создавать макет изделия определенного масштаба или в натуральную величину и проводить на нем опыты по разрушению под нагрузкой — компьютерные программы семейства CAE (инженерных расчетов) могут с точностью рассчитать прочностные параметры готового изделия и предсказать предельные значения нагрузок.

Величина предела текучести материала

С развитием атомной физики в XX веке появилась возможность рассчитать значение параметра теоретическим путем. Эту работы первым проделал Яков Френкель в 1924 году. Исходя из прочности межатомных связей, он путем сложных для того времени вычислений определил величину напряжения, достаточного для начала пластической деформации тел простой формы. Величина предела текучести материала будет равна

ττ=G/2π. , где G — модуль сдвига, как раз и определяющий устойчивость связей между атомами.

Расчет величины предела текучести

Гениальное допущение, сделанное Френкелем при расчетах, заключалось в том, что процесс изменения формы материала рассматривался как приводимый в действие напряжениями сдвига. Для начала пластической деформации полагалось достаточным, чтобы одна половина тела сдвинулась относительно другой до такой степени, чтобы не смогла вернуться в начальное положение под действием сил упругости.

График физического предела текучести

Френкель предположил, что испытываемый в мысленном эксперименте материал имеет кристаллическое или поликристаллическое строение, свойственно для большей части металлов, керамики и многих полимеров. Такое строение предполагает наличие пространственной решетки, в узлах которой в строго определенном порядке расположены атомы. Конфигурация этой решетки строго индивидуальны для каждого вещества, индивидуальны и межатомные расстояния и связывающие эти атомы силы. Таким образом, чтобы вызвать пластическую деформацию сдвига, потребуется разорвать все межатомные связи, проходящие через условную плоскость, разделяющую половины тела.

Читайте также  Почему падает давление в гидроаккумуляторе насосной станции?

При некотором значении напряжения, равному пределу текучести, связи между атомами из разных половин тела разорвутся, и рады атомов сместятся друг относительно друга на одно межатомное расстояние без возможности вернуться в исходное положение. При продолжении воздействия такой микросдвиг будет продолжаться, пока все атомы одной половины тела не потеряют контакт с атомами другой половины

В макромире это вызовет пластическую деформацию, изменит форму тела и при продолжении воздействия приведет к его разрушению. На практике линия начала разрушений проходит не посередине физического тела, а находится в местах расположения неоднородностей материала.

Физический предел текучести

В теории прочности для каждого материала существует несколько значений этой важной характеристики. Физический предел текучести соответствует значению напряжения, при котором, не смотря на деформацию, удельная нагрузка не меняется вовсе или меняется несущественно. Иными словами, это значение напряжения, при котором физическое тело деформируется, «течет», без увеличения прилагаемого к образцу усилия

Условный предел текучести

Большое число металлов и сплавов при испытаниях на разрыв демонстрируют диаграмму текучести с отсутствующей или слабо выраженной «площадкой текучести». Для таких материалов говорят о условном пределе текучести. Его трактуют как напряжение, при котором происходит деформация в переделах 0,2%.

Условный предел текучести

К таким материалам относятся легированные и высокоуглеродистые стальные сплавы, бронза, дюралюминий и многие другие. Чем более пластичным является материал, тем выше для него показатель остаточных деформаций. Примером пластичных материалов могут служить медь, латунь, чистый алюминий и большинство низкоуглеродистых стальных сплавов.

Предел текучести стали

Сталь, как самый популярный массовый конструкционный материал, находится под особо пристальным вниманием специалистов по расчету прочности конструкций и предельно допустимых нагрузок на них.

Стальные сооружения в ходе их эксплуатации подвергаются большим по величине и сложным по форме комбинированным нагрузкам на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Нагрузки могут быть динамическими, статическими и периодическими. Несмотря на сложнейшие условия использования, конструктор должен обеспечить у проектируемых им конструкций и механизмов долговечность, безотказность и высокую степень безопасности как для персонала, таки для окружающего населения.

Предел текучести стали

Поэтому к стали и предъявляются повышенные требования по механическим свойствам. С точки зрения экономической эффективности, предприятие стремится снизить сечение и другие размеры производимой им продукции, чтобы снизить материалоемкость и вес и повысить, таким образом, эксплуатационные характеристики. На практике это требование должно быть сбалансировано с требования ми по безопасности и надежности, зафиксированными в стандартах и технических условиях.

Предел текучести для стали является ключевым параметрам в этих расчетах, поскольку он характеризует способность конструкции выдерживать напряжения без необратимых деформаций и разрушения.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Согласно физико-химическому принципу аддитивности, изменение физических свойств материалов определяется процентным содержанием углерода. Повышение его доли до 1,2% дает возможности увеличить прочность, твердость, предел текучести и пороговую хладоемкость сплава. Дальнейшее повышение доли углерода приводит к заметному снижению таких технических показателей, как способность к свариваемости и предельная деформация при штамповочных работах. Стали с низким содержанием углерода демонстрируют наилучшую свариваемость.

Азот и кислород в сплаве

Эти неметаллы из начала таблицы Менделеева являются вредными примесями и снижают механические и физические характеристики стали, такие, например, как порог вязкости, пластичность и хрупкость. Если кислород содержится в количестве свыше 0,03%- это ведет к ускорению старения сплава, а азот увеличивает ломкость материала. С другой стороны, содержание азота повышает прочность, снижая предел текучести.

Микроструктура сплава, в составе которого присутствуют азот и кислород

Добавки марганца и кремния

Легирующая добавка в виде марганца применяется для раскисления сплава и компенсации отрицательного влияния вредных серосодержащих примесей. Ввиду своей близости по свойствам к железу существенного самостоятельного влияния на свойства сплава марганец не оказывает. Типовое содержание марганца – около 0,8%.

Кремний оказывает похожее воздействие, его добавляют в процессе раскисления в объемной доле, не превышающей 0,4%. Поскольку кремний существенно ухудшает такой технический показатель, как свариваемость стали. Для конструкционных сталей, предназначенных для соединения сваркой, его доля не должна превышать 0,25%. На свойства стальных сплавов кремний влияния не оказывает.

Примеси серы и фосфора

Сера является исключительно вредной примесью и отрицательно воздействует на многие физические свойства и технические характеристики.

Предельно допустимое содержание этого элемента в виде хрупких сульфитов– 0,06%

Сера ухудшает пластичность, предел текучести, ударную вязкость, износостойкость и коррозионную стойкость материалов.

Фосфор оказывает двоякое воздействие на физико-механические свойства сталей. С одной стороны, с повышением его содержания повышается предел текучести, однако с другой стороны, одновременно понижаются вязкость и текучесть. Обычно содержание фосфора находится в пределах от 0,025 до 0,044%. Особенно сильное отрицательное влияние фосфор оказывает при одновременном повышении объемных долей углерода.

Легирующие добавки в составе сплавов

Легирующими добавками называют вещества, намеренно введенные в состав сплав для целенаправленного изменения его свойств до нужных показателей. Такие сплавы называют легированными сталями. Лучших показателей можно добиться, добавляя одновременно несколько присадок в определенных пропорциях.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Распространенными присадками являются никель, ванадий, хром, молибден и другие. С помощью легирующих присадок улучшают значение предела текучести, прочности, вязкости, коррозионной стойкости и многих других физико-механических и химических параметров и свойств.

Текучесть расплава металла

Текучестью расплава металла называют его свойство полностью заполнять литейную форму, проникая в малейшие полости и детали рельефа. От этого зависит точность отливки и качество ее поверхности.

Жидкий металл для процессоров

Свойство можно усилить, если поместить расплав под избыточное давление. Это физическое явление используется в установках литья под давлением. Такой метод позволяет существенно повысить производительность процесса литья, улучшить качество поверхности и однородность отливок.

Испытание образца для определения предела текучести

Чтобы провести стандартные испытания, используют цилиндрический образец диаметром 20 мм и высотой 10 мм, закрепляют его в испытательной установке и подвергают растягиванию. Расстояние между нанесенными на боковой поверхности образца метками называют расчетной длиной. В ходе измерений фиксируют зависимость относительного удлинения образца от величины растягивающего усилия.

Зависимость отображают в виде диаграммы условного растяжения. На первом этапе эксперимента рост силы вызывает пропорциональное увеличение длины образца. По достижении предела пропорциональности диаграмма из линейной превращается в криволинейную, теряется линейная зависимость между силой и удлинением. На этом участке диаграммы образец при снятии усилия еще может вернуться к исходным форме и габаритам.

Для большинства материалов значения предела пропорциональности и предела текучести настолько близки, что в практических применениях разницу между ними не учитывают.

Высокопрочные стали

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 = 0,3^0,15 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°С 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/м 2 ) и при холодной пластической деформации практически не упрочняется. В результате закаленные мартенситно- стареющие 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°С, а затем осуществляют трехкратную закалку от 940°С и последующее старение при 520—540°С.

Химический состав и механические свойства некоторых высокопрочных сталей

закалка, °С; среда

2 Мо; 0,9 Ti; 0,2 А1

5 Мо; 9 Со; 0,6Ti; 0,15 А1

Метастабильные аустенитные стали

1100; в + пластическая деформация 50—80% при 400—600°С; повторная деформация, 15%

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°С, потом подвергают старению при температуре 500°С.

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.

Читайте также  Как снять бак с бензопилы?

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-ста- лей (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 (Мн) лежит в области отрицательных температур. Ниже 0°С находится и точка Мл начало превращения аустенита в мартенсит, вызванное деформацией, которое происходит при температуре ниже Мл.

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 Мн и Мл. Температура начала образования мартенсита деформации Мд превышает 20°С, а точка Мн 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 (ств> 1800 МПа, а2> 1400 МПа при пластичности 5 > 20%) (см. табл. 8.4).

Высокая пластичность ПНП-сталей связана с различием положения температур начала мартенситного превращения Ми и начала образования мартенсита деформации Мд. 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.

23 Высокопрочные конструкционные стали

3.3 высокопрочные конструкционные стали

К высокопрочным относятся стали, временное сопротивление которых sв >1600 МПа и s0,2 > 1400 МПа. Стали с пределом текучести более 2000 МПа иногда называют сверхвысокопрочными.

Прежде всего высокопрочные стали применяют в изделиях, для которых важно уменьшение массы при сохранении высокой прочности. Это могут быть высокопрочные болты и крепежные изделия, некоторые виды тросов и прядей, высокоскоростные роторы, валы и многие другие детали машин и механизмов. Высокопрочные стали используют в космической, ракетной, авиационной технике, а также в ряде отраслей приборостроения.

Получение сталей высокой прочности неизбежно ведет к пони­жению характеристик пластичности и прежде всего сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому надежность стали в конструкции (изделии) может быть охарактеризована конструктивной прочностью — комплексом механических свойств, находящихся в корреляции с эксплуатационными условиями работы изделий. Для боль­шинства конструкционных высокопрочных сталей такими парамет­рами конструктивной прочности являются: предел текучести (s0,2) и параметр вязкости разрушения (трещиноустойчивости) – К.

Конструктивную прочность конструкционных сталей можно оценить по диаграмме конструктивной прочности, построенной в координатах предел текучести s0,2 – вязкость разрушения К. На рисунке 3.9 представлена обобщенная диаграмма конструктивной прочности конструкционных сталей различных классов и способов упрочнения.

На диаграмме указаны области средне- и высокоуглеродистых легированных сталей. Штриховой линией отмечено значение s0,2 = 1400.МПа, являющееся нижней границей для высокопрочных сталей. На диаграмме также указаны приблизительные области различных механизмов распространения трещины при испытаниях на К, построенные на основании фрактографических исследований.

Высокопрочные стали при необходимой прочности должны иметь достаточные пластичность, сопротивление динамическим нагрузкам, ударную вязкость, усталостную прочность, а для ряда изделий и хорошую свариваемость.

В высокопрочном состоянии изделия весьма чувствительны к различным концентраторам напряжений как внешним (выточки, острые переходы, отверстия с малым радиусом и т.д.), так и внутренним (неметаллические включения), поэтому большое значение имеет чистота стали по неметаллическим включениям.

Рекомендуемые файлы

Рисунок 3.9 – Обобщенная диаграмма конструктивной прочности

конструкционных сталей (О.И. Романив, А.Н. Ткач)

MAC — метастабильные аустенитные стали; НУС — низкоуглеродистые стали; СУС и ВУС -средне- и высоколегированные стали; МСС — мартенситно-стареющие стали; СМЗ -стали со сверхмелким зерном; ТМО — стали после термомеханической обработки; ПП — эвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. Характер разрушения: I — область вязкого разрушения; II — транскристаллитный скол; III — интеркристаллитный скол; IV- квазискол

При выплавке высокопрочных сталей применяют чистые шихтовые материалы, специальные методы выплавки, повышающие чистоту стали по неметаллическим включениям, газам и вредным примесям, такие как электрошлаковый переплав, вакуумные способы плавки и др., которые повышают пластичность стали, но при этом и удорожают сталь.

Как правило, получение высокопрочного состояния связано с образованием метастабильной структуры с высоким уровнем микроискажений, высокой плотностью дефектов кристаллического строения и, следовательно, повышенной склонностью к протеканию диффузионных процессов. Это необходимо учитывать при осуществлении технологических операций на изделиях из высокопрочных сталей, при которых возможно насыщение детали водородом (например, электролитическое травление) и появление водородной хрупкости.

При временном сопротивлении более 1600 МПа появляется склонность к замедленному разрушению образцов с трещиной. Повышение содержания углерода резко увеличивает склонность высокопрочных сталей к замедленному разрушению при контакте с водой. Причина этого явления до конца не ясна. Предполагается, что это связано с развитием коррозии под напряжением, эффектом Ребиндера и водородной хрупкостью. Высокопрочные стали склонны к хрупкости при контакте с расплавленными легкоплавкими металлами.

Существуют разные способы получения высокопрочных сталей: закалка на мартенсит с низким отпуском (300 –350 °С) и вторичное твердение в интервале температур 500 – 650 °С, а также ряд специальных технологических процессов, к которым можно отнести термомеханическую обработку, волочение сталей со структурой тонкопластинчатой феррито-карбидной смеси, получение сталей со структурой сверхмелкого зерна и некоторые другие. К высокопрочным сталям относятся мартенситностареющие стали и стали со структурой метастабильного аустенита.

3.3.1 Легированные низкоотпущенные стали

Большинство легированных конструкционных сталей после закалки и низкого отпуска могут иметь высокие значения временного сопротивления (sв > 1700 МПа) и предела текучести (s0,2 >1500 МПа) при достаточно высоких значениях пластичности (относительное удлинение d ³ 10 % и относительное сужение y ³ 25 %). Однако конструктивная прочность низкоотпущенных легированных сталей обычно понижена из-за повышенной чувствительности к надрезам вследствие низкого сопротивления хрупкому разрушению. При выборе рационального легирования и режимов отпуска низкоотпущенной стали необходимо учитывать развитие в интервале 200 – 300 °С явления необратимой отпускной хрупкости (отпускная хрупкость I рода), сопровожда­щегося значительным падением ударной вязкости. В связи с этим отпуск высокопрочной стали проводят при температурах выше провала ударной вязкости, т.е. выше 300 ºС. Роль легирования при этом заключается в повышении устойчивости мартенсита к распаду при отпуске (необходимо сохранить высокие прочностные свойства при возможно более высоких температурах отпуска), обеспечении необходимой прокаливаемости, повышении сопротивления хрупкому разрушению.

Углерод является элементом, наиболее сильно упрочняющим мартенсит. Однако он сильно понижает хрупкую прочность стали, поэтому высокопрочные низкоотпущенные стали должны содержать минимальное, необходимое для получения заданной прочности, количество углерода. Обычно содержание углерода не превышает 0,3 – 0,4 %.

При легировании высокопрочной стали рекомендуется не слишком снижать температуру Мн, так как при понижении точки Мн растут закалочные напряжения и увеличивается количество остаточного аустенита. Таким образом, легирование высокопрочной низкоотпущенной стали должно быть достаточным, но не чрезмерным.

Высокопрочные низкоотпущенные стали легируют марганцем, хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием, кремнием, никелем. Суммарное количество легирующих элементов обычно не менее 3 – 4 %. Для повышения прокаливаемости особенно эффективны Mn, Cr, Ni, Mo. Такие элементы, как никель и кобальт, повышают сопротивление хрупкому разрушению, т.к. увеличивают подвижность дислокаций, снижая их блокировку примесными атомами. Последнее приводит к релаксации пиковых напряжений. Легирование карбидообразующими элементами (Cr, Mo, W, V) и кремнием замедляет распад мартенсита при отпуске, в результате чего появляется возможность проводить его при температурах более 300 ºС. Это позволяет миновать область охрупчивания и вместе с тем получить высокий уровень прочности.

При легировании высокопрочных сталей карбидообразующими элементами при прочих равных условиях рекомендуется использовать легирующие элементы, карбиды которых легче растворяются при нагреве под закалку, так как остаточные нерастворившиеся карбиды значительно снижают хрупкую прочность низкоотпущенной стали, а излишне высокие температуры аустенитизации нежелательны, поскольку укрупнение действительного аустенитного зерна понижает ударную вязкость. Добавки кремния в сталях, обрабатываемых на высокую прочность (в отличие от среднепрочных сталей), весьма полезны, так как за счет кремния можно несколько уменьшить содержание углерода (при низком отпуске 200-300°С кремний тормозит падение прочности). Для сталей, подвергаемых изотермической закалке, кремний является наиболее важным легирующим элементом. Изотермическая закалка высокопрочных содержащих кремний сталей обеспечивает высокую вязкость и пониженную чувствительность к надрезу. Роль кремния заключается в усилении перераспределения углерода в аустените в процессе бейнитного превращения, что приводит к образованию менее углеродистых более вязких игольчатых структур и повышенного количества остаточного аустенита.

Сильные карбидообразующие элементы (V, Nb, Ti) способствуют мелкозернистости, но большое их количество может привести к увеличению ликвационной неоднородности по углероду. Этот эффект можно уменьшить введением никеля, который также повышает вязкость. В последнее время разработаны высокопрочные стали, в которых высокий комплекс свойств достигается благодаря получению дисперсных нитридных фаз. Это достигается легированием азотом (0,02-0,04 %) и нитридообразующими элементами. Нитриды ванадия и алюминия обеспечивают получение при нагреве под закалку мелкозернистой структуры, а растворенный в аустените азот значительно увеличивает прокаливаемость стали (35Х2АФ, 40Х2АФЕ).

В таблицах 3.6 и 3.7 приведены составы и свойства некоторых высокопрочных низкоотпущенных сталей.

Таблица 3.6 – Состав высокопрочных низкоотпущенных сталей