Мартенситностареющие высокопрочные стали

Свойства мартенситностареющих высокопрочных сталей

Мартенситностареющие стали представляют собой класс сверхпрочных сталей с низким содержанием углерода, которые обладают своими свойствами благодаря процессу оседания интерметаллических соединений во время состаривания. Главный легирующий элемент в данных сталях -никель, содержание которого составляет от 15 до 25 %. Чтобы получить интерметаллические осадки в сталь добавляются вторичные легирующие элементы - молибден, кобальт или титан. В обычных ржавеющих сталя содержится 17-19 % никеля, 8-12 % кобальта, 3-5 % молибдена и 0,2 - 1,6 % титана. Если добавить еще хром, то сталь станет более устойчива по отношению к коррозии. Хром также способствует увеличению прокаливаемости, потому что в этом случае требуется меньше никеля. Высокохромистые высоконикелевые стали в большинстве случаев аустениты и не могут переходить в мартенсит в процессе термической обработки, в то время, как низконикелевые стали обладают данным свойством. Иные варианты низконикелевых мартенситностареющих сталей основаны на сплавах марганца и железа с незначительным содержанием алюминия, титана и никеля, содержание марганца составляет от 9 до 15 % от массы железа. Марганцем оказывается такое же действие, как и никелем, то есть стабилизируется аустенитная фаза. Таким образом в зависимости от содержания марганца, железо-марганцевые мартенситностареющие стали могут быть полностью мартенситными после охлаждения из аустенитной фазы, либо оставаться в аустените. Второй эффект сделал возможным разработку мартенситностареющих метастабильных высокопрочных аустенитных сталей высокой пластичности. К основным физическим свойствам мартенситностареющих сталей относятся:

1. Плотность - 8,1 грамм на кубический сантиметр.
2. Температура плавления - около 1413 градусов по Цельсию.
3. Прочность на разрыв при растяжении - от 1400 до 3500 мегапаскаль.
4. Средний коэффициент теплового расширения - $11,3-10^{-6}$
5. Удлинение при разрыве - до 15 %.
6. Предельная прочность на растяжение - 1,6-2,5 гигапаскаля.
7. Модуль Юнга - 210 гигапаскаль.
8. Модуль сдвига - 77 гигапаскаль.
9. Твердость после обработки - 50 HRC (класс 250), 54 HRC (класс 300), 58 HRC (класс 350).

Использование мартенситностареющих высокопрочных сталей

Мартенситностареющие стали широко используются при изготовлении высоко ответственных деталей, для которых необходима хорошая вязкость при невысоких и низких температурах, а также высокая прочность. Они используются в таких сферах промышленности, как машиностроение, ракетостроение, самолетостроение и криогенная техника. Некоторые виды мартенситностареющих сталей нашли свое применение для изготовления пружин и прочих упругих элементов, подшипников, болтов, сосудов высокого давления, гидравлических гибких шлангов и т. п. Из таких сталей изготавливаются полуфабрикаты в виде сортового проката, лент, полос, труб, листов и поковок.

К высокопрочным мартенситностареющим сталям относятся те, временное сопротивление которых составляет более 1600 мегапаскалей. Стали, предел текучести которых составляет более 2000 мегапаскалей в некоторых случаях называют сверхпрочными. Процесс получения высокопрочных сталей сопровождается снижением характеристик пластичности, в первую очередь сопротивления хрупкому разрушению. Таким образом надежность сталей в конструкциях и изделиях может быть охарактеризована конструктивной прочностью.

Распространенными марками мартенситностареющих высокопрочных сталей являются:

• 40Х5М2СФ,
• Н11,
• Н13,
• 40Х5М2СФЕ,
• Хро-Мау,
• Пирлесс 16,
• Хромоди,
• Н50,
• Хекла 174,
• HST 120,
• HST 140.

Высокопрочная сталь должна обладать достаточными ударной вязкостью, хорошей свариваемостью, усталостной прочностью, сопротивлением динамическим нагрузкам. В процессе выплавки высокопрочной стали используются чистые шихтовые материалы и специальные методы плавления, которые увеличивают чистоту по газам, вредным примесям, таким как электрошлаковый переплав, а также по неметаллическим включениям. Например, вакуумная плавка увеличивает пластичность стали, но при этом растет и конечная стоимость. К распространенным способам получения высокопрочной стали относятся:

1. Вторичное твердение в диапазоне температуры от 50 до 650 градусов по Цельсию.
2. Закалка на мартенсит с низким отпуском.
3. Термомеханическая обработка.
4. Волочение стали

Высокопрочные мартенситностареющие стали в первую очередь используются при изготовлении изделий, для которых важным требованием является уменьшение веса при сохранении прочности: болты, крепежи, тросы и т. п.