7.5. Стали с особыми свойствами

Высокопрочные стали и сплавы (предел прочности 1500 МПа и более) должны иметь достаточный запас пластичности и вязкости.

Среднеуглеродистые комплексно-легированные стали. Наибольшее применение в самолетостроении находит сталь 30ХГСН2А, которая называется хромансил, улучшенная за счет добавки 1,6 % Ni. Изготавливаются детали фюзеляжа, шасси, силовые сварные конструкции и др. Применяется как после низкого отпуска, так и после изотермической закалки, которая обеспечивает меньшую чувствительность к надрезу и более высокое сопротивление разрушению. Термомеханическая обработка, совмещающая пластическую деформацию аустенита и закалку, обеспечивает сталям высокую прочность (до 2500 МПа) при достаточной пластичности (δ = 8–6 %) и вязкости (KCU = 0,3–0,1 МДж/м²).

Мартенситостареющие стали (МСС) типа 03Н18К9М5Т по прочности и технологичности превосходят среднеуглеродистые стали. Они представляют безуглеродистые сплавы железа с никелем (8–25 %), легированные Со, Mo, Ti, Al, Cr и другими элементами. Никель повышает растворимость многих элементов по типу замещения в аустените и уменьшает их растворимость в мартенсите. После закалки сплавы имеют структуру высокопластичного железоникелевого мартенсита, пересыщенного легирующими элементами. Упрочнение происходит при старении при 450–550 °С за счет выделения из мартенсита когерентных мелкодисперсных фаз (NiTi, Ni₃Ti, NiAl, (Ni,Fe)Al, Fe₂Mo и др.). Хром (5–12 %) повышает коррозионную стойкость, кобальт – жаропрочность. МСС-стали обладают высокой прочностью от криогенных температур до 500 °С. Изготавливают корпуса ракетных двигателей и подводных лодок, стволы артиллерийского и стрелкового оружия, катапульты самолетов, шасси, батискафы, зубчатые колеса, шпиндели и т. д.

Метастабильные аустенитные высокопрочные стали повышенной пластичности получили название трип-сталей (Transformation induced plasticity) или ПНП-сталей (пластичность, наведенная превращением). После закалки сталь марки 30Х9Н8М4Г2С2 имеет аустенитную структуру, так как точка начала мартенситного превращения М_Н лежит в области отрицательных температур. Пластическая деформация (степень обжатия 50–80 %) при 450–600 С (ниже температуры рекристаллизации) вызывает явления наклепа аустенита, обеднение его углеродом и легирующими элементами за счет выделения карбидов (дисперсионное упрочнение). Вследствие этого повышается температура начала образования мартенсита деформации. В процессе охлаждения аустенит становится метастабильным и при повторной деформации претерпевает мартенситное превращение. В результате закалки, наклепа и деформационного старения аустенита трип-стали приобретают оптимальные механические свойства: высокую прочность (_в = 1800–2000 МПа), хорошую пластичность (δ > 20 %) и трещиностойкость. Область применения: силовые детали авиационных конструкций, тросы, броневой лист и др.

Жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при температурах выше 600 С, должны иметь достаточную прочность и плотные окисные пленки, защищающие от окисления. В зависимости от металла основы различают жаропрочные сплавы на основе железа (аустенитные стали, стали с карбидным и стали с интерметаллидным упрочнением), никеля и кобальта. Особое место занимают сплавы на основе тугоплавких металлов.

Для увеличения жаропрочности необходимо ограничить подвижность дислокаций и замедлить диффузионные процессы путем: 1) повышения прочности межатомных связей; 2) увеличения размеров зерен, 3) торможения движения дислокаций внутри зерен и на границах.

Прочность межатомных связей тем больше, чем выше температура плавления чистого металла, меньше скорость самодиффузии (ползучести). Прочность межатомных связей металлов увеличивается при добавлении тугоплавких металлов, таких как хром, никель, молибден. Для упрочнения границ зерен и замедления процессов диффузии вводят в небольших количествах (0,1–0,01 %) бор и церий. Эти элементы имеют малый диаметр, располагаются по границам зерен (в местах скопления дефектов) и в 10 раз замедляют процессы диффузии.

Крупнозернистость – характерная особенность структуры жаропрочных сплавов. Чем меньше протяженность границ, тем слабее межзеренное скольжение и диффузионные перемещения.

Формирование гетерофазной структуры с мелкодисперсной упрочняющей фазой – важное направление повышения жаропрочности. Максимальной жаропрочностью обладают сплавы, содержащие в основе практически не взаимодействующие с ней частицы: карбиды, оксиды и бориды. В сталях, легированных карбидообразующими элементами тугоплавких металлов (хром, ванадий, вольфрам и др.), формируется карбидный каркас, который резко тормозит движение дислокаций. Гетерофазная структура может быть сформирована при термической обработке. Для никелевых дисперсионно-стареющих сплавов закалка с последующим старением происходит с выделением интерметаллидов. Мелкие частицы располагаются по всему объему металла и тормозят движение дислокаций. Большую роль играет морфология выделений: жаропрочность тем выше, чем дисперснее частицы, меньше расстояния между ними, больше частиц на межзеренных границах.

Из жаропрочных сплавов изготавливают детали топливной аппаратуры, паровых котлов, турбин, ракет, двигателей внутреннего сгорания. Для деталей, работающих под нагрузкой при температурах до 650 С, применяются стали, легированные хромом, молибденом, ванадием (15ХН, 12Х2МФБ). Изделия, работающие при 650–750 С, изготавливают из высоколегированных сталей марок 40Х14Н14В2Н, 40Х12Н8Г8МФБ. При температурах выше 750 С в качестве жаропрочных материалов используются сплавы на основе никеля или кобальта, до 1500 С – на основе молибдена, до 2500 С – на основе вольфрама.

Жаростойкие стали и сплавы – материалы, работающие в ненагруженном состоянии при высоких температурах. От них требуется хорошее сопротивление окислению в газовых средах при высоких температурах. Структура жаростойкого материала должна быть однородной и однофазной (чистые металлы, твердые растворы). Термическая обработка (отжиг, нормализация) приводит к формированию однофазной структуры и способствуют увеличению жаростойкости материала. Пластическая деформация ухудшает жаростойкость, так как приводит к появлению градиента напряжений в структуре металла.

До 560–600 С окалина состоит из плотного слоя оксидов Fe₂O₃ и Fe₃O₄. Выше 600 С происходит их растрескивание. Высокотемпературный оксид FeO вюстит имеет рыхлую структуру, что облегчает доступ кислорода к металлу. Для обеспечения жаростойкости вводят элементы, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо: хром, алюминий, кремний, никель. Эти металлы образуют на поверхности изделий прочные окисные пленки (Сr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, FeOСr₂O₃, FeOAl₂O₃). Стали, легированные Cr и Si, называют сильхромами, Cr и А1 – хромалями; Cr, А1 и Si – сильхромалями. Количество вводимых элементов зависит от требуемого уровня жаростойкости и определяется рабочими температурами изделий. Основной легирующий элемент – хром. Рабочие температуры стали 15Х5М (5 % хрома) – до 650 С, 12Х17 (17 %) – до 900 С. Высокохромистые стали с ферритной структурой (15Х25Т, 15Х28 и др.) и аустенитные хромоникелевые стали (20Х23Н18 и др.) имеют более высокую жаростойкость.

Для повышения жаростойкости также используются защитные покрытия, состав которых выбирается с учетом условий работы изделия и состава агрессивной среды.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы – материалы, устойчивые к воздействию агрессивных сред: влажной атмосферы, морской воды, пара, растворов солей, щелочей, кислот и т. п. Под действием окислительной среды поверхностный слой металла разрушается (ржавеет). Хром – основной легирующий элемент, защищающий сталь от коррозии. При концентрации хрома более 12,5 % электрохимический потенциал железа повышается и становится положительным, что препятствует электролитическому растворению (коррозии). Стали с 13 % хрома (20Х13, 40Х13 и др.) имеют хорошую коррозионную стойкость в таких средах, как водяной пар, вода, некоторые органические кислоты. Для повышения коррозионной стойкости количество хрома увеличивается до 17–28 % (стали марок 95Х18, 15Х25Т).

Для уменьшения склонности к межкристаллитной коррозии стали аустенитного класса дополнительно легируют титаном и ниобием или уменьшают содержание углерода ниже 0,1 % (08Х18Н10Т). Тогда после закалки они имеют однофазную аустенитную структуру. После холодного деформирования на 70 % предел прочности сталей увеличивается в 2–3 раза, а пластичность сохраняется на уровне 8–12 %. Стали, содержащие более 30–40 % Ni, стойки к коррозионному растрескиванию. Безникелевые аустенитные стали (05Х18А120, 05X21А120) содержат 18–24 % Сг и 1,0–1,3 % N. По уровню предела текучести эти стали в 3–4 раза превосходят закаленную хромоникелевую сталь 08Х18Н10.