3.3. Высокопрочные легированные стали

К высокопрочным относятся стали, предел прочности которых достигает 1800-2000 и более МПа, но обязательно в сочетании определённого запаса вязкости (а_К не должна быть менее 0,2 МДж/м²).

Указанным сочетанием свойств обладают: 1)среднеуглеродистые стали после термомеханической обработки либо комплексно-легированные среднеуглеродистые стали после закалки и низкого отпуска, 2) мартенситно-стареющие стали, 3) метастабильные аустенитные стали, получившие название ПНП и ПНД сталей.

Из числа среднеуглеродистых сталей, свойства которых повышаются только термообработкой (закалка с 900⁰С + отп. 250⁰С) можно отметить стали марок 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА. Их свойства характеризуются для первой (s_в=1850 МПа, KCU=0,55 МДж/м², для второй (s_в=2000 МПа, KCU=0,45 МДж/м².

При упрочнении термомеханической обработки (сочетанием термообработки с деформацией) достигаются еще более высокие показатели свойств. Так, в стали 40ХГСА можно достичь величин s_в= 2200-2800 МПа. Высокие механические свойства достигаются за счёт измельчения кристаллов мартенсита и высокой плотности дислокаций.

В мартенситно-стареющих сталях высокие механические свойства достигаются в результате старения мартенсита, т.е. выделения в кристаллах мартенсита мелкодисперсных интерметаллических соединений.

Мартенситно-стареющими являются низкоуглеродистые (с содержанием углерода не выше 0,03%) сплавы железа с никелем и др. компонентами (кобальтом, титаном, вольфрамом, молибденом). Следует особо подчеркнуть, что после закалки такие стали ещё не являются высокопрочными, потому что прочность образующегося в них практически безуглеродистого мартенсита низка. И только после старения (при 480-520⁰С) в сталях указанного класса достигается прочность 2000-2500Мпа при ударной вязкости KCU=0,5 МДж/м².

Отмеченная особенность упрочнения этих сталей позволяет деформировать стали с большими степенями обжатия (изготавливать штамповкой, напр., изделия нужной формы), либо проводить другие типы деформации. Напр., целесообразно нарезать рифли на мельничные валки непосредственно после закалки стали, не допуская самоотпуска и старения стали за счёт аккумулированного в валках тепла. Упрочнение же валков проводить затем путём старения при 480-500⁰С. К числу мартенситно-стареющих сталей относятся ОЗН18К9М5Т. После закалки её прочность составляет 1000-1100 МПа , (d =18-20% и KCU=2,0 МДж/м², а после старения s_в=1900-2000 МПа, относительное удлинение 8-12 %, а KCU=0,6 МДж/м². Ещё более высоким комплексом свойств обладает сталь ОЗН12К15М10, её прочность достигает 2500 МПа при KCU=0,5 МДж/м² .

Следует отметить, что мартенситно-стареющие стали сохраняют высокие эксплуатационные свойства в широком интервале температур (от - 196⁰С до 500-700⁰С).

Метастабильные аустенитные ПНП и ПНД стали получили своё название в результате сокращения следующих словосочетаний; ПНП – пластичность, наведённая фазовым превращением (иногда их называют трипп-сталями по аббревиатуре английской транскрипции – transformation Induced Plasticity), а ПНД означает пластичность, наведённую двойникованием, т.е. сдвиговой деформацией кристаллической решётки.

К ПНП-сталям относятся стали марок 25Н24М4Г и 30Н12Х9Г2. Высокая прочность в них (s_в до 2300-2600 МПа) сочетается с очень высокой для данного уровня прочности величиной пластичности (d = 25-35 %).

В ПНД – сталях, к числу которых относятся 60Г14Ф2, 50Г20Х4, 40Х4Г18Ф, сочетание высокой прочности с высокой пластичностью достигается аналогичным способом с ПНП – сталями, но механизмом упрочнения в них является не мартенситное превращение, а двойникование. В ПНД – сталях значение s_в достигают 1550-1600 МПа, при пластичности d = 17-22 %.

Высокопрочные стали, рассмотренные выше, относятся к числу сравнительно новых материалов и поэтому области их использования пока ещё не так широки, как они того заслуживают.

Мартенситно-стареющие стали уже широко используются для изготовления высокопрочных штампов и др. инструментов. В пищевой промышленности их целесообразно использовать в качестве матриц при производстве макаронных изделий, различных пружин, работающих в узлах при повышенных температурах, для различных дозирующих устройств, для изготовления штифтов мельниц, ножей делительного оборудования в сахарной и мясоперерабатывающей промышленности.

ПНП и ПНД стали целесообразно использовать для узлов оборудования, работающего при высоких циклических нагрузках, напр., для изготовления сёдел клапанов в дозаторах, используемых при разливе шампанского, в транспортирующих устройствах хлебопекарной промышленности (дёжеопрокидыватели, тестоделители и др.) для различных крепежных деталей.

Вопросы для самоконтроля по теме

1. В каких отраслях пищевой промышленности наиболее широко используют углеродистые стали?

2. На какие группы делятся легированные стали по содержанию легирующих элементов? Приведите примеры.

3. Какие стали относят к высокопрочным?

4. Определите, возможно ли применять стали типа ПНП для изготовления пальцев тестоделителей.

Тесты по теме 3

Тест 1. Что означает буква А в маркировке сталей?

1. принадлежность стали к классу высококачественных;

2. легированность стали азотом;

3. значение буквы А зависит от ее местоположения.

Тест 2. Какие элементы являются вредными примесями в сталях?

2.1. Р, О, S, H;

2.2. P, N, Mn, Si;

2.3. С, Mn, Al.

Тест 3. Как маркируется сталь с содержанием С = 0,4%, Cr = 1,3%, Ni = 1,2%?

3.1. 4ХI, 3HI, 2;

3.2. 40XHI, 2;

3.3. 40ХН.

Тест 4. На какие классы делят углеродистые стали по структуре?

4.1. ферритные и доэвтектоидные;

4.2. аустенитные;

4.3. заэвтектоидные;

4.4. доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Тест 5. Какие стали относятся к высокопрочным?

5.1. низколегированные и среднелегированные;

5.2. среднеуглеродистые легированные, упрочненные ТМО;

5.3. мартенситностареющие, ПНП и ПНД.