Сталь конструкционная высокопрочная высоколегированная(в том числе мартенситно-стареющие)

Свойства высоколегированных мартенситно-стареющих сталей: стали этого класса обладают уникальным комплексом механических свойств: высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости, высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, хрупкому и усталостному разрушению, что в сочетании с хладостойкостью, теплостойкостью, коррозионной стойкостью и размерной стабильностью определяет такую эксплуатационную надежность изделий из мартенситно-стареющих сталей, которая не достигается при использовании сталей других классов.

Мартенситно-стареющие стали — это безуглеродистые комплексно легированные сплавы на железной основе, у которых определенное сочетание легирующих элементов обеспечивает формирование в процессе соответствующей термической обработки пластичной матричной фазы — мартенсита замещения, армированной дисперсными высокопрочными, равномерно распределенными частицами интерметаллидных фаз.

Основу мартенситно-стареющих сталей составляет безуглеродистый железоникелевый мартенсит (8—20 % Ni). Высокая концентрация никеля обеспечивает устойчивость переохлажденного аустенита сталей этого класса, способствует формированию в них при закалке мартенситной структуры, в том числе и при условии замедленного охлаждения. Никель повышает растворимость многих элементов замещения в аустените и уменьшает их растворимость в мартенсите, благодаря чему закалкой можно зафиксировать сильно пересыщенный а-твердый раствор (мартенсит замещения), способный к интенсивному дисперсионному твердению при старении.

Дисперсионное твердение железоникелевого мартенсита вызывают титан, бериллий, алюминий, марганец, ванадий, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, кремний и другие элементы, характеризующиеся ограниченной растворимостью в a-Fe (рис. слева), причем наибольшее упрочнение при старении (в условиях равной атомной концентрации) обеспечивают те из них (титан, алюминий, бериллий), равновесная концентрация которых в мартенсите минимальна.

Никель (а в некоторых сталях и кобальт) способствуют увеличению объемной доли выделяющихся при старении упрочняющих фаз и тем самым повышают эффективность процесса дисперсионного твердения. Положительное влияние кобальта в мартенситно-стареющих сталях обусловлено также формированием в мартенситной матричной фазе при старении упорядоченных областей, являющихся дополнительным фактором упрочнения. Хром в мартенситно-стареющих сталях способствует повышению их коррозионной стойкости и одновременно вызывает дополнительное упрочнение при старении.

Подробно основные системы легирования мартенситно-стареющих сталей, особенности их фазового состава и структурного состояния, а также представления о природе высокой прочности сталей этого класса рассмотрены в монографиях. Эти стали содержат, как правило, значительное количество различных легирующих элементов. При их выборе основываются на требованиях строгого баланса компонентов, поскольку при этом необходимо обеспечить не только эффективное дисперсионное твердение мартенсита при старении, но и предотвратить появление в структуре стали большого количества остаточного аустенита, снижающего прочность, или 6-феррита, уменьшающего пластичность сталей.

Мартенситно-стареющие стали характеризуются высокой технологичностью. Их упрочняющая термическая обработка, заключающаяся в закалке и старении, сравнительно проста. Стали имеют глубокую прокаливаемость, закаливаются на мартенсит практически при любой скорости охлаждения. Изменения размеров при термической обработке этих сталей минимальны, поэтому практически исключены поводки и коробления изделий самой сложной формы. Стали этого класса, как правило, не содержат углерода, поэтому нет опасности их обезуглероживания при термической обработке в обычной среде. Указанные преимущества мартенситно-стареющих сталей позволяют подвергать термической обработке готовые детали и изделия.

В закаленном состоянии указанные стали характеризуются высокой пластичностью и вязкостью, малым коэффициентом деформационного упрочнения; потому при изготовлении проволоки, ленты, труб и других полуфабрикатов эти стали можно деформировать с высокими степенями обжатия (до 90 %), не прибегая к промежуточным разупрочняющим обработкам. Стали хорошо свариваются, а также штампуются в горячем и холодном состоянии; обработка резанием закаленных сталей не вызывает трудностей.

Закаленные мартенситно-стареющие стали имеют структуру мартенсита замещения. Легирующие элементы, вызывающие старение, незначительно влияют на свойства несостаренного мартенсита, поэтому прочность, пластичность и вязкость закаленных сталей разных составов весьма близки и находятся, как правило, в следующих пределах: σ_в = 900-1200 МПа; σ_0,2 = 800-1100 МПа; δ =15-20%; ψ = 50-80 %; KCV =1,5-3 МДж/м².

Старение мартенситно-стареющих сталей приводит к повышению их прочности, но одновременно снижает вязкость и пластичность. Наиболее высокое упрочнение достигается для всех сталей при старении в интервале температур 480—520 °С; при этом в зависимости от состава сталей временное сопротивление может повышаться на 300—1800 МПа. При более высокой температуре старения развиваются процессы, ведущие к разупрочнению: коагуляция частиц упрочняющих фаз и образование устойчивого аустенита вследствие обратного а - у — превращения.

Учитывая диапазон упрочнения, реализуемого в мартенснтно-стареющих сталях (σ_в = 1500-3500 МПа), диапазон размеров изделий (от проволоки до многотонных поковок), комплекс ценных физико-химических свойств и высокую технологичность — область применения этих сталей как конструкционного материала практически не ограничена и непрерывно расширяется. Наиболее целесообразно использовать их прежде всего для изделий, от которых требуется высокая удельная прочность в сочетании с высокой эксплуатационной надежностью.

Разработаны составы мартенситно-стареющих сталей, удовлетворяющие различным требованиям по уровню прочности, пластичности, коррозионной стойкости, по температурной области применения. Большинство сталей создано на базе систем Fe—Ni— Mo, Fe—Ni—Со—Mo, Fe—Cr—Ni— Mo, Fe—Cr—Ni—Co—Mo.