Легированные низкоотпущенные стали

Стали этой группы подвергаются термической обработке, заключающейся в закалке и низком отпуске. После прохождения данного вида термической обработки стали имеют высокие значения временного сопротивления (³ 1700 МПа) и предела текучести (³ 1500 МПа) при достаточно высоких значениях пластичности (относительное удлинение и сужение).

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 ^оС явления необратимой отпускной хрупкости (отпускная хрупкость I рода), сопровождающегося значительным падением ударной вязкости. В связи с этим отпуск высокопрочной стали проводят при температурах ниже провала ударной вязкости (если при этом общая пластичность стали не слишком низка), или чаще при температурах выше провала ударной вязкости, т.е. выше 300 ^оС. Роль легирования при этом заключается в повышении устойчивости мартенсита к отпуску (необходимо получить высокие прочностные свойства при возможно более высоких температурах отпуска), обеспечении необходимой прокаливаемости, повышении сопротивления хрупкому разрушению.

Углерод наиболее сильно упрочняет мартенсит, однако понижает хрупкую прочность стали. В связи с этим содержание углерода в высокопрочной стали, обрабатываемой путем закалки на мартенсит и последующего низкого отпуска, должно быть невысоким (не превышать 0,3 – 0,4 %).

При легировании высокопрочной стали рекомендуется не слишком снижать температуру М_Н, так как при этом растут закалочные напряжения и увеличивается количество остаточного аустенита.

Основными легирующими элементами, применяемыми для высокопрочных сталей, являются: хром, молибден, вольфрам, ванадий, а также кремний.

При легировании высокопрочных сталей карбидообразующими элементами рекомендуется использовать легирующие элементы, карбиды которых более легко растворяются при нагреве под закалку, так как оставшиеся нерастворенные карбиды значительно снижают хрупкую прочность низкоотпущенной стали, а излишне высокие температуры аустенитизации нежелательны, т. к. при этом укрупняется зерно и снижается ударная вязкость. Полезным является легирование высокопрочной стали никелем и кобальтом, так как никель повышает вязкость стали.

В некоторых высокопрочных сталях высокий комплекс механических свойств достигается благодаря получению дисперсных нитридных фаз. Эти стали легируют азотом (0,02 – 0,04%) и нитридообразующими элементами. Нитриды ванадия VN и алюминия – AlN обеспечивают при нагреве под закалку мелкозернистую структуру стали, а растворенный в аустените азот значительно увеличивает ее прокаливаемость. Стали 35Х2АФ и 40Х2АФЕ обеспечивают после закалки и низкого отпуска высокий комплекс свойств в сечениях до 50 мм.

В таблице 1 приведены составы и свойства некоторых высокопрочных низкоотпущенных сталей.

Таблица 1

Вязкость разрушения высокопрочных низкоотпущенных сталей с мартенситной структурой, в основном, определяется прочностью границ действительного аустенитного зерна, в то время как характеристики прочности в большей степени связаны с размерами мартенситных пакетов, строением мартенсита, наличием других фаз (остаточного аустенита, феррита).

С увеличением размера зерна ударная вязкость высокопрочных сталей со структурой отпущенного мартенсита падает, однако вязкость разрушения изменяется по кривой с минимумом при диаметре зерна 10 – 15 мкм. Поэтому наиболее рациональный путь повышения конструктивной прочности – это получение сталей со сверхмелким зерном – менее 10 мкм. Для повышение величины вязкости разрушения может применяться повышение температуры аустенитизации, что существенно повышает вязкость разрушения, за счет растворения сегрегаций примесных атомов по границам аустенитного зерна. Однако, ударная вязкость при этом будет понижаться.

Повышение чистоты стали по неметаллическим включениям повышает усталостную прочность и пластичность стали.

Применение способов выплавки, снижающих количество сульфидов (электро-шлаковый переплав) или содержания газов – азота, водорода и оксидов (вакуумно – дуговой переплав, вакуумно – индукционный переплав) повышает усталостную прочность низкоотпущенной стали значительно больше, чем высокий отпуск.

Содержание вредных примесей серы и фосфора в высокопрочной низкоотпущенной стали должно быть минимальным. Особенно вредно влияние фосфора, интенсивно понижающего хрупкую прочность стали. Сера существенно понижает характеристику вязкости разрушения. Кроме того сера и фосфор, а также углерод ухудшают свариваемость стали.

Высокие прочностные свойства в сочетании с достаточной пластичностью и вязкостью могут быть достигнуты и после обработки легированных сталей на нижний бейнит. Содержание углерода в таких сталях обычно составляет 0,3 – 0,5 %, кремния – до 2 % и более. Основными композициями легирующих элементов являются: Cr – Si, Cr – Si – V, Cr – Si – Mn – V, Cr – Si – Ni – Mo – V.

Термическая обработка высокопрочных сталей на нижний бейнит состоит из изотермической закалки и отпуска.

К недостаткам низкоотпущенных высокопрочных сталей относится большая чувствительность к действию различных сред: водородная хрупкость, возникающая при травлении и гальванических покрытиях, хрупкость при контакте с водой, металлическими расплавами и т.д.

Низкоотпущенные высокопрочные стали склонны к анизотропии свойств. Кроме того, после низкотемпературного отпуска прочностные свойства таких сталей могут резко падать, если температура изделий окажется выше температуры отпуска.

14.2 Дисперсионно – твердеющие стали

Для изготовления высокопрочных изделий с высокой устойчивостью к повышенным температурам эксплуатации используют стали со вторичным твердением. Эффект вторичного твердения при отпуске закаленных на мартенсит сталей основан на выделении специальных карбидов в интервале температур 550 – 650 ^оС. При этом повышаются прочностные характеристики стали и падают пластичность и вязкость. Возрастание прочности и твердости сталей при вторичном твердении происходит при определенной объемной доле выделяющихся карбидов.

Содержание углерода в дисперсионно – твердеющих сталях не должно превышать 0,3 – 0,4 %. Более высокие содержания углерода значительно понижают пластичность высокопрочной стали.

Развитие вторичного твердения высокопрочных сталей наблюдается при различном содержании легирующих элементов: хром – более 6%; молибден – более 1 %; ванадий – более 0,5 %. При комплексном легировании высокопрочной стали хромом, молибденом и ванадием, существенный пик вторичной твердости достигается примерно при содержании в стали 5 % хрома, 1 – 2 % молибдена и 0,5 % ванадия. В этом случае эффект упрочнения обусловлен выделением дисперсных карбидов Me₇C₃, Cr₂₃C₆, Mo₂C, VC. Наибольшая роль в упрочнении принадлежит карбидам молибдена и ванадия.

Сравнительная роль легирующих элементов в высокопрочных легированных хромом, молибденом и ванадием сталях состоит: в повышении склонности к образованию карбидов; увеличении устойчивости против роста и перестаривания карбидов; повышении температуры максимума вторичного твердения; замедлении процессов перестройки и аннигиляции дислокаций в мартенсите при отпуске.

Хром и молибден, переведенные в аустенит при нагреве под закалку, обеспечивают высокую прокаливаемость стали, а частично нерастворимые при нагреве карбиды ванадия сдерживают рост зерна и обеспечивают получение мелкозернистой стали.

Карбид молибдена Mo₂C сравнительно легко растворяется в аустените в больших количествах при относительно невысоких температурах (950 – 1000 ^оС), содержание ванадия более 0,5% нежелательно, так как приводит к чрезмерному образованию карбидов ванадия и связанному с этим снижению вязкости и пластичности.

Высокопрочные стали с эффектом вторичного твердения также легируют кремнием, который повышает интенсивность вторичного твердения, однако он одновременно ускоряет перестаривание, поэтому его содержание ограничивается 0,7 – 1,0 %. Небольшие добавки ниобия – 0,1 – 0,2 % способствуют получению мелкозернистой стали.

При 5 % хрома и 1 – 2 % молибдена сталь прокаливается насквозь в весьма больших сечениях (до 200 – 300 мм). в тех случаях, когда изделия имеют небольшое сечение целесообразно снижать содержание хрома до 3%.

Химический состав и механические свойства некоторых высокопрочных сталей с эффектом вторичного твердения приведены в таблице 2.

Таблица 2

Такие стали обычно подвергают закалке от температур 1000 – 1050 ^оС, что обеспечивает перевод части карбидной фазы в твердый раствор. Однако зерно аустенита при этом остается мелким, так как около половины карбидов ванадия и почти целиком карбиды ниобия остаются нерастворимыми. Отпуск дисперсионно – твердеющих высокопрочных сталей обычно проводят при температурах несколько выше максимума прироста прочностных свойств – при 600 – 650 ^оС в области некоторого перестаривания, что повышает пластичность и вязкость, так как при максимальном развитии вторичного твердения наиболее интенсивно падает ударная вязкость стали.

Одним из важных достоинств дисперсионно – твердеющих сталей является сохранение высокой устойчивости против отпуска и, следовательно, высокие механические свойства при повышенных температурах эксплуатации. Дисперсионно – твердеющие высокопрочные стали могут быть использованы для работы при температурах до 500 – 550 ^оС.

Особенностью сталей данной группы является отсутствие в ряде случаев четко выраженной температурной границы хрупко – вязкого перехода. Резко выраженный порог хладноломкости наблюдается только после отпуска при 650 ^оС.

Для высокопрочных дисперсионно – твердеющих сталей характерна также высокая чувствительность к надрезам и неметаллическим включениям. Применение более чистых шихтовых материалов и качественных методов выплавки (вакуумная плавка) позволяют существенно повысить пластичность высокопрочных сталей и надежность изделий.