Високоміцна сталь

Високоміцні низьколеговані сталі (англ. High-strength low-alloy steel, HSLA) — сталі, що містять вуглець в межах 0,1…0,25%. Для підвищення в'язкості у сталь додатково вводять 1…1,8% Mn. Для підвищення прогартовуваності — до 0,9% Cr[1].

З метою досягнення потрібних механічних характеристик такі сталі піддають гартуванню (500…600 ºС) та низькому відпуску. Після термооброблення отримується мартенсит відпуску. Зміцнення відбувається за рахунок утворення карбідів, нітридів, а також інтерметалідних фаз.

Марки сталей за ГОСТ 19281-89: 09Г2, 09Г2Д, 12ГС, 16ГС, 14Г2, 17ГС, 09Г2С, 09Г2СД, 14ХГС, 15ХСНД, 10ХНДП, 17Г1С, 10Г2С1, 10Г2С1Д, 15ГФ, 15ГФД, 10Г2Б, 10Г2БД, 10ХСНД, 15Г2СФ, 15Г2СФД, 14Г2АФ, 12Г2Б, 16Г2АФ, 15Г2АФД, 14Г2АФД, 18Г2АФ, 18Г2АФД.

Границя міцності може досягати значень σ_в = 1000…1500 МПа.

Високоміцні середньовуглецеві низьколеговані сталі (англ. medium-carbon ultrahigh-strength steels) — конструкційні низьколеговані сталі із вмістом вуглецю 0,3…0,55% та концентрацією легувальних елементів до 8%[2][3].

Високий рівень міцності (до σ_в = 1300 МПа) можна отримати в середньовуглецевих низьколегованих сталях, (30ХГСН2А, 20ХГНР), при застосуванні гартування (900…950 °C) з низьким відпуском (при температурі 200…260 °C) або ізотермічного гартування з отриманням структури нижнього бейніту. Після ізотермічного загартування середньовуглецеві леговані сталі мають дещо меншу міцність, але більшу пластичність і в'язкість. Тому вони є надійнішими в роботі, ніж загартовані з низьким відпуском. При високому рівні міцності загартовані з низьким відпуском середньовуглецеві сталі мають підвищену чутливість до концентраторів напружень, схильні до крихкого руйнування, тому їх рекомендується використовувати для роботи в умовах плавнозмінного вантаження. Дані сталі використовуються для виготовлення важко навантажених деталей та кріпильних виробів.

Хімічний склад: 0,3…0,4% С, 1…2% Mn, 1…2% Ni, 0,5…1% Cr, 0,5…1,5% Si, 0,2…0,4% Mo, до 0,2% Ti.

Типовий режим термообробки: повне гартування + відпуск (200…400 ºС).

Основні сталі групи: 30ХГСН2А, 40ХСН2МА.

Мартенситно-старіючі сталі (англ. maraging steel) — безвуглецеві (вуглецю менше 0,03%) сплави заліза з нікелем (8..25%), додатково леговані кобальтом, молібденом, титаном, алюмінієм, хромом та іншими елементами.

Завдяки високому вмісту нікелю, кобальту і малій концентрації вуглецю в результаті загартування у воді або на повітрі проходить фіксація високопластичного, але маломіцного залізо-нікелевого мартенситу, пересиченого легуючими елементами. У такому стані сталі можуть піддаватись пластичному деформуванню та обробленню різанням. Основне зміцнення відбувається в процесі старіння (відпуску при температурі 450…550 °C) за рахунок виділення з мартенситної матриці когерентно з нею зв'язаних дрібнодисперсних інтерметалідних фаз (Ni₃, NiTi, Fe₂Mo, Ni₃(Ti,Al)), що розташовуються навколо дислокацій і блокують їх рух. В результаті різко зростає міцність і твердість.

Мартенситно-старіючі сталі мають високу конструкційну міцність в інтервалі температур від кріогенних до 500 °C і рекомендуються для виготовлення корпусів ракетних двигунів, стволів артилерійської і стрілецької зброї, корпусів підводних човнів, батискафів, високонавантажених дисків турбомашин, зубчастих коліс, шпинделів, чер'вяків тощо. З усіх високоміцних сталей вони знайшли найбільше використання. Це пояснюється вдалим поєднанням високих механічних та технологічних характеристик (мають добру зварюваність, високу корозійну стійкість, не зазнають термічних напружень і деформацій при гартуванні).

Мартенситно-старіючі сталі переважають за конструкційною міцністю та технологічністю середньовуглецеві леговані сталі. Вони мають малу чутливість до надрізів, високий опір до крихкого руйнування і низьким порогом холодноламкості при границі міцності, що досягає σ_в = 2000 МПа (границя текучості σ_0,2 = 1800 МПа) .

Щоб отримати такі властивості сталь повинна містити 12…20% Ni, 8…12% Co, 5…10% Mo, 1…2% Ti, до 0,5% Cu. Легування Co збільшує ефект старіння. Значна кількість Ni веде до різкого зниження температури початку мартенситного перетворення.

Найвідоміші марки: 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ.

Сталі з метастабільним аустенітним станом (англ. transformation-induced plasticity, TRIP) — сталі, у яких через значну кількість Ni, Mo, Mn після гартування від 1000…1100 °C не відбувається мартенситного перетворення, тобто структура залишається аустенітною.

Ці сталі характеризуються найкращим поєднанням міцності і в'язкості. Томі їх можна вважати найнадійнішими конструкційними матеріалами. Поєднання високих механічних властивостей забезпечується хімічним складом (С до 0,3 %, Ni до 25 %, Mo до 4 %, Mn 10-12 %, Cr 10-12 %, Si до 2 %) та технологією обробки.

Якщо таку сталь піддати деформуванню, то наклеп викликає перехід аустеніту у нестабільний стан. Ступінь деформації обирається таким, щоб отримати у даній сталі нестійкий стан, що при наступному охолодженні чи додатковому деформуванні буде викликати у ній мартенситне перетворення. Перехід аустеніту в мартенсит буде спостерігатись не у всьому об'ємі деталі, а лише в тих місцях, де з'являються локальні мікротріщини. Утворення мікротріщин супроводжується локальною пластичною деформацією її вершини, що викликає мартенситне перетворення та зростання міцності і руйнування припиняється. У зв'язку з цим, деформування зосереджується у сусідніх об'ємах. Такий ефект самозміцнення в процесі експлуатації дозволяє деталям працювати тривалий час без загрози руйнування. Перетворення аустеніту в мартенсит не дає можливості локалізуватись деформації, шийка у зразка при випробуванні на розтяг не утворюється, завдяки чому реалізується висока пластичність сталі.

У результаті такої обробки сталі набувають високої міцності (σ_в ≥ 1800 МПа, σ_0,2 ≥ 1400 МПа) при високій пластичності (δ ≥ 30 %).

Недолік таких сталей — висока вартість, необхідність проведення теплої деформації при 300…500 °C, потреба у високо потужному технологічному обладнанні.

Основні марки сталі: 25Н24М4, 24Н21Г2С2М4, 30Х10Г10 та 14Х14АГ12.